بخشی از مقاله
چکیده
یکی از تجهیزاتی که در جداسازي ذرات جامد از فاز گاز مورد استفاده قرار میگیرد، سیکلونها هستند. در این دستگاهها جریان گاز همراه با ذرات ریز جامد وارد یک محفظه استوانهاي یا مخروطیشکل میشود. اساس جداسازي این ذرات از توده جریان گاز به این صورت است که نیروي اینرسی وارد شده بر ذرات جامد در سیکلونها، چندین برابر نیروي اینرسی وارد شده بر فاز گاز میباشد و لذا این ذرات از کنارههاي محفظه سیکلون به پایین محفظه هدایت میشوند. ولی فاز گاز تحت تاثیر نیروي کمتري قرار گرفته و از نقاط فوقانی ذرات جامد، به سمت بالاي محفظه میرود.
سیکلونها با صافیها، فیلترها، جداسازهاي الکترواستاتیکی و جداسازهاي تهنشین کننده در حال رقابت هستند. اما در مقایسه با سایر جداکنندههاي گاز - جامد، سیکلونها از لحاظ هزینه ساخت و هزینه عملیات داراي هزینه کمتري میباشند و همانطوري که در شکلهاي این وسایل نیز مشاهده میشود، نحوه ساخت آنها از پیچیدگیهاي خاصی برخوردار نمیباشد و به دلیل این ویژگیها، در صنایع مختلف، اعم از نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاهها، ساخت و تولید، صنایع غذایی و ... کاربرد فراوانی دارند.
در مقاله حاضر به شبیهسازي یک سیکلون صنعتی در مقیاس واقعی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - پرداخته شده و براي ایجاد هندسه و شبکهبندي، حل معادلات حرکت حاکم بر جریان با روش المان محدود و تحلیل دینامیکی نتایج، از برنامه ANSYS CFX استفاده شده است. در نهایت نتایج حاصل از شبیهسازي ارائه گردیده است.
مقدمه
در شکل 1 شماي کلی یک سیکلون نشان داده شده است. با توجه به دیواره استوانهاي سیکلون، جریان مواد با یک حرکت گردباد مانند به سمت پایین سیکلون حرکت میکند. با توجه به اینکه نیروي اینرسی وارد شده بر ذرات جامد، از نیروي اینرسی وارد شده بر فاز گاز بیشتر است، این ذرات مماس بر دیواره ظرف به سمت پایین محفظه هدایت میشوند. در قسمت پایین محفظه نیز فضایی براي جمع شدن ذرات جامد تعبیه شده که به صورت ناپیوسته یا پیوسته از محفظه خارج میشوند.
در قسمت مرکزي سیکلونها،معمولاً از یک استوانه نسبتاً قطور براي خروج گاز استفاده میشود. این لوله در وسط سیکلون تعبیه شده و از ذرات جامد که در اثر نیروي اینرسی وارد شده، در کنارههاي سیکلون قرار دارند فاصله دارد. به این ترتیب اکثر ذرات جامد ورودي از جریان گاز جدا میشوند.
شکل :1 مسیر حرکت در سیکلون
یک سیکلون در حقیقت یک محفظه تهنشینسازي است که شتاب جاذبه با شتاب سانتریفوژي جایگزین شده است. مقدار نسبت شتاب سانتریفوژي به شتاب جاذبه، بستگی به قطر سیکلون دارد. براي سیکلونهاي استوانهاي با قطرهاي خیلی بزرگ، شتاب سانتریفوژ در حدود 5 برابر شتاب جاذبه است و در مورد سیکلونهاي استوانهاي با قطر کوچک شتاب سانتریفوژي در حدود 2000 برابر بزرگتر از شتاب جاذبه میباشد. نیروي وارد شده بر ذرات بزرگتر مقدار بیشتري میباشد و لذا ذرات بزرگتر با چرخش کمتري در سیکلون به پایین سیکلون میرسند
موارد کاربرد سیکلون
همانطوریکه به طور مختصر بیان شد، از سیکلونها براي جدا کردن جامدات ریز موجود در گاز استفاده میشود. در اینجا باید به این نکته توجه کرد که تنها این وسایل نیستند که براي جدا کردن ذرات جامد از فاز گاز مورد استفاده قرار میگیرند، بلکه سیکلونها با صافیها، فیلترها، جداسازهاي الکترواستاتیکی و جداسازهاي تهنشینکننده در حال رقابت هستند. اما در مقایسه با سایر جداکنندههاي گاز- جامد، سیکلونها از پیچیدگیهاي خاصی برخوردار نبوده و لذا از لحاظ هزینه ساخت و هزینه عملیات داراي هزینه کمتري می باشند.
در جریانهاي گاز- جامد که قطر ذرات جامد از 5 میکرون کوچکتر است، راندمان جداسازي سیکلونها مقدار کمی میباشد، ولی اگر ذرات جامد تمایل بهم چسبیدن را دارا باشند، میتوان ذرات با قطر 3 میکرون را نیز با استفاده از سیکلونها از جریان گاز جدا کرد. یکی دیگر از موارد کاربرد سیکلونها، توانایی عملیاتی این دستگاهها در فشار و دماهاي بالا میباشد. با توجه به کارایی و مقاومت مواد موجود در سیکلونها، این دستگاهها در دماي حدود 1000 درجه سانتیگراد و فشاري در حدود 500 اتمسفر نیز استفاده میشود. همانطوریکه با توجه به شکل این دستگاهها مشخص است، دما و فشار پایین و ایجاد خلاء در سیستم نیز مشکلی روي کار سیکلون ایجاد نمیکند. به این ترتیب، این وسایل در دامنه وسیعی از دما و فشار، قابل استفاده هستند.
در مورد کاربرد سیکلونها، یکی از مسائلی که مطرح میشود قطر برش - Cut diameter - است. به طور کلی هر وسیله جداکننده ذرات جامد از جریان گاز، داراي قطر برش میباشد. منظور از قطر برش این است که ذراتی که قطر آنها از قطر برش - Dcut - بزرگتر هستند از وسیله مورد نظر عبور نمیکنند و به این وسیله از جریان گاز جدا میشوند. البته در بعضی از موارد به طور قاطع، از Dcut به عنوان قطر برش استفاده نمیشود و تنها کسري از مواد جامد با قطري بزرگتر از آن از وسیله جداکننده عبور نمیکنند. لازم به ذکر است که قطر برش در مورد همه وسایل جداکننده گاز- جامد مورد استفاده قرار میگیرند. تعیین دقیق مقدار قطر برش با رسم نمودار حاصل از بررسی توزیع ذرات موجود در گاز خروجی از سیکلون بر حسب قطر ذرات ورودي به سیکلون، قابل محاسبه است
عیوب و موارد عدم مطلوب بودن سیکلون
یکی از عیوبی که سیکلونها با آن مواجه هستند، در مورد وجود ذرات ریز در فاز گاز ورودي به سیکلون است. در این موارد دیگر نمیتوان از این وسایل استفاده کرد و باید از وسیله مناسب دیگري سود جست . دلیل نامناسب بودن سیکلون در مورد ذرات ریز - کوچکتر از 5 میکرومتر - به خاطر عدم کافی بودن نیروي سانتریفوژي براي جداسازي ذرات جامد از گاز است. زیرا در مورد ذرات بسیار ریز نیروي اینرسی وارد شده بر ذرات جامد بسیار کم است.
یکی دیگر از مواردي که باعث پایین آمدن راندمان دستگاه میشود، افزایش دبی ورودي به سیکلون است. قطر برش ذکر شده در قسمت قبل در مورد حالتی که دستگاه با دبی مناسب در حال کار است به دست میآید و اگر شدت جریان فاز گاز و جامد ورودي به سیکلون افزایش یابد به همین ترتیب باعث کاهش راندمان دستگاه میشود. در مواردي که نیاز به جداسازي مقدار زیادي از فاز گاز- جامد داریم باید به جاي یک سیکلون از تعداد زیادي سیکلون که به صورت موازي - Multi Cyclone - قرار گرفتهاند استفاده کنیم.
در مواردي که ذرات جامد موجود در فاز گاز، ذرات بارداري هستند استفاده از جداسازهاي الکترواستاتیکی بر سیکلونها ترجیح داده میشود. زیرا در این مورد راندمان جداسازهاي الکترواستاتیکی نسبت به سیکلونها بسیار بیشتر است.
یکی از مواردي که به شدت روي راندمان دستگاههاي جداساز سیکلونی تاثیر میگذارد، میزان افت فشار موجود در این دستگاهها میباشد. براي آشنا شدن با این موضوع عوامل ایجاد کننده افت فشار در سیکلونها و دلایل آنها را مورد بحث قرار میدهیم. عوامل ایجادکننده افت فشار در سیکلونها از قرار زیر است:
الف - افت فشار در اثر انقباض ورودي: این افت فشار در اثر کمشدن مساحت ورودي فاز جامد و گاز به داخل سیکلون ایجاد میشود و مقدار آن نیز با توجه به نوع مقطع ورودي تغییر میکند.
ب - شتاب ذرات جامد: ذرات جامد موجود در فاز گاز در اثر ورود به سیکلون شتاب بیشتري میگیرند و به این ترتیب میزان افت فشار افزایش مییابد.
ج - اصطکاك دیواره سیکلون: اصطکاك بین جریان گاز و دیواره جامد باعث افزایش افت فشار در سیکلون میشود. لازم به ذکر است که با افزایش سرعت ورودي مواد به سیکلون، این افت فشار به شدت افزایش مییابد .
د - افت فشار به خاطر چرخش گاز در سیکلون ه - افت فشار به خاطر انقباض نهایی جریان گاز براي ورود به لوله خروجی گاز خالص شده.
طبقه بندي انواع سیکلون ها
- 1 دسته بندي سیکلونها از نظر مقطع ورودي جریان گاز سیکلونها را میتوان از دیدگاههاي مختلفی مورد تقسیمبندي قرار داد. یکی از این موارد مقطع ورودي به سیکلونها است.
-1 الف - مقطع ورودي مستطیلی
-1 ب - مقطع ورودي دایرهاي
-1 ج - مقطع ورودي به شکل خاصمثلاً - بیضی - در موارد لزوم
- 2 دسته بندي سیکلونها از نظر تعداد در حال کار
-2 الف - سیکلونهاي منفرد -2 ب - سیکلونهاي چندتایی
هرچه مقطع ورودي سیکلونها کوچکتر باشد، ذرات ریز سادهتر میتوانند از جریان گاز جدا شوند. اما با این کار ظرفیت سیکلونها کاهش مییابد. در چنین مواردي که نیاز است ذرات ریز از جریان گاز جدا شوند، باید از تعداد زیادي سیکلون که به صورت موازي در بدین منظور از نرم افزار ANSYS-CFX استفاده شده و مراحل آن داخل یک جعبه قرار گرفتهاند استفاده شود. با این کار ظرفیت بطور مختصر ارائه گردیده است.
شکل :2 چند سیکلون که به صورت موازي در یک جعبه قرار گرفته اند.
در مورد سیکلونهاي موازي باید به تعداد این سیکلونها، راندمان جداسازي، هزینه ساخت، هزینه عملیاتی و مقایسه این سیکلونها با سایر وسایل جداکننده گاز- جامد توجه کرد. زیرا در بعضی از موارد استفاده از Multi Cycloneها مقرون به صرفه نمیباشد.
- 3 دسته بندي سیکلونها از نظر چگونگی قرار گرفتن عامل تامین افت فشار نسبت به سیکلون سیکلونها را از نظر چگونگی قرار گرفتن دمنده یا کمپرسور نسبت به سیکلون، نیز به دو دسته تقسیمبندي میکنند:
-3 الف - سیکلونهایی که دمنده قبل از آنها قرار دارد -3 ب - سیکلونهایی که دمنده بعد آنها قرار دارد
همانطور که میدانیم، حرکت مواد در داخل سیکلون با افت فشار همراه میباشد. اینتاف فشار معمولاً توسط یک کمپرسور یا دمنده تأمین میشود. نحوه قرار گرفتن این دمنده به ویژگیهاي فاز گاز و جامد در جریان ورودي به سیکلون بستگی داردمثلاً. در حالتیکه ذرات ورودي در جریان گاز روي پرههاي دمنده اثر منفی داشته باشند، باعث تخریب پرههاي دمنده میشوند. به این ترتیب در این موارد سیکلون را قبل از دمنده قرار میدهند تا ذرات جامد در سیکلون از فاز گاز خارج شوند و به پره هاي دمنده برخورد نکنند. لازم به ذکر است که در این مورد، دمنده کار مکش فاز گاز را از داخل سیکلون به بیرون انجام میدهد. لازم به ذکر است که در اکثر موارد، دمنده را بعد از سیکلون قرار میدهند. زیرا وجود ذرات جامد در جریان ورودي به سیکلون، روي دمنده اثر منفی میگذارد.
روش شبیهسازي
در این قسمت به شبیهسازي جریان سیال گاز هیدروکربنی - Cracked gas - عبوري از سیکلون جداسازي ذرات جاذب - Molecular Sieve - ، که از بستر خشککن نفوذ کرده، پرداخته و براي اینکار از محیط CFX-Pre نرمافزار استفاده شده است. نوع شبیهسازي در اینجا Steady State فرض شده و فشار مرجع برابر با 1atm در نظر گرفته شده است.[2] از انتقال حرارت در طول سیکلون صرفنظر شده و جریان سیال ناآرام - Turbulence - و از نوع K-Epsilon فرض شده است
شکل :3 هندسه مشبندي شده سیکلون
- 2 تعریف مشخصات فیزیکی مسئله
- 3 تعیین خواص ماده
بانک اطلاعاتی مواد موجود در ANSYS-CFX محدود بوده و همه مواد با خصوصیات ویژه را شامل نمیشود، لذا مشخصات فیزیکی و جزئیات سیال عبوري از درون سیکلون را بر اساس اطلاعات واقعی موجود، تغییر میدهیم
- 4 تعیین شرایط مرزي در ورودي سیکلون براي سیال مخلوط گاز هیدروکربنی و ذرات
جاذب همراه آن، با دماي 38 œC، شرط مرزي Mass flow rate با مقدار 30 kg/s تعیین شده است . در ناحیه خروجی شرط مرزي Constant Pressure و در داخل مبدل، در مرز دیوارهها شرط مرزي free-slip در نظر گرفته شده است.
- 5 محاسبات
براي حل معادلات حاکم بر جریان از قسمت CFX-Solver نرمافزار استفاده شده است. نرمافزار ANSYS-CFX از معادلات ناویر استوك جهت حل مسئله شبیه سازي شده CFD استفاده می کند
