بخشی از مقاله
چکیده
فهم چگونگی عملکرد فرآیند و دینامیک جریان یک امر ضروری در طراحی و راهاندازی یک فرآیند است. فرآیند هضم بی هوازی یک فرآیند پیچیده و چندمرحلهای است که توسط تعداد زیادی از ریزسازوارههای بی هوازی انجام می شود. از جمله مراحل مهم هضم بیهوازی، مراحل استاتزایی و متانزایی میباشد که در بسیاری از موارد محدودکنندهی سرعت هستند و استاتزاها و متانزاها رابطهی منحصربهفردی با نام برخورد تغذیهای تشکیل میدهند. در این مقاله به شبیهسازی سهفازی دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - در یک راکتور ناپیوستهی همزندار پرداخته میشود. بدین منظور از یک مدل سهفازی اویلرین و مدل آشفتگی - RNG - k- برای شبیهسازی هیدرودینامیک سیستم و الگوی جریان استفاده شد. همچنین مدل سرعت ثابت برای توصیف واکنشهای هضم بیهوازی اسیدهای چرب فرار و تولید گاز زیستی مورد استفاده قرار گرفته است.
مقدمه
فرآیند هضم بیهوازی یکی از مهمترین فرآیندهای مورد استفاده برای تصفیهی پسماندها و پسابهای صنعتی و شهری است. میکروبشناسی این فرآیند بسیار پیچیده است، زیرا این فرآیند شامل گروههای مختلفی از ریزسازوارهها است که هرکدام در طول فرآیند وظیفهی جداگانهای را انجام میدهند. میکروبیولوژی این فرآیند شامل 4 مرحلهی اصلی است که عبارتند از: -1 آبکافت -2 اسیدزایی -3 استاتزایی -4 متانزایی [1]مراحل. آبکافت و اسیدزایی نسبتاً از سرعت بیشتری برخوردار بوده و دارای حساسیت کمتری هستند، اما مراحل استاتزایی و متانزایی به دلیل حساسیت بالا، پیچیدگی شیمیایی و آنزیمی به عنوان مهمترین مراحل فرآیند هضم بیهوازی محسوب میشوند.
استاتزاها شامل باکتریهای اکسیدکننده پروپیونات و بوتیرات، و متانزاها شامل آرکئاهای هیدروژنوتروف و استیکلاستیک، تشکیل یک رابطه منحصر بهفرد برهم-کنشی با عنوان برخورد تغذیهای1 را میدهند [2] .در حین فرآیند هضم بیهوازی و در طی مراحل مختلف واسطههای سوخت وسازی مختلفی تولید میشوند که از میان آنها پروپیونات و بوتیرات مهمترین واسطههای سوخت وسازی برخورد تغذیهای هستند که در مرحله اسیدزایی تولید و در مراحل استاتزایی و متانزایی مصرف میشوند. اکسیداسیون بیهوازی پروپیونات و بوتیرات به دلیل محدودیتهای ترمودینامیکی - واکنشهای گرماگیر و - >0 به عنوان مرحله محدودکننده سرعت واکنش-های بیهوازی تلقی میگردد [3] .
در واقع، در فرآیند برخورد تغذیهای واکنشهای استاتزایی که گرماگیر هستند با واکنش-های متانزایی که گرمازا هستند، همراه میشوند. با توجه به کاربرد روزافزون فرآیند هضم بیهوازی و نیاز به طراحی بهینه و اثر عوامل مختلف روی عملکرد سامانه، اهمیت مدلسازی ریاضی و شبیهسازی این فرآیند به وسیلهی نرم افزارهای کامپیوتری موجود و استفاده از علم محاسبات دینامیکی مشهود است. فرآیند هضم بیهوازی یک فرآیند شیمیایی-بیولوژیکی-فیزیکی چندفازی با برهمکنشهای متعدد گاز-مایع-جامد است.
به منظور فهم بهتر دینامیک فرآیند و بهینهسازی شرایط عملیاتی، می توان از مدلهای دینامیکی موجود برای بیان این رفتارهای سامانه استفاده کرد.مدلهای فرآیندی به منظور بیان جنبههای کمی و کیفی واکنشها، تعیین هیدرودینامیک و انتقال جرم تحت شرایط محیطی و عملیاتی مختلف، تعریف میشود . [4 ] در فرآیندهای هضم بیهوازی، همزدن میتواند عملکرد بهینهی هاضم را با بهبود سطح تماس ریزسازوارههای فعال و سوبسترای لجن خوراک، ارتقاء دهد. نرمافزارهای شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی2 به شبیهسازی عددی اثر همزدن در یک هاضم اجازهی اجرا میدهد.
مطالعهی دینامیک سیالات به منظور فراهمسازی زمینه برای درک بهتر پدیدههای انتقال محلی در داخل هاضم برای پیشرفت طراحی و بهبود عملکرد هاضم نیاز است. در تحقیقات زیادی از دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی اثرات همزدن استفاده شده است، اما میتوان از آن برای درک واکنشهایی که طی فرآیند رخ می-دهد نیز استفاده کرد . [4 ] در این تحقیق سعی میشود با گنجاندن یک مدل سینتیکی ارائه شده برای مراحل استاتزایی و متانزایی هضم بی-هوازی، استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی تکمیل شود .
در واقع ، پس از تعریف سامانه در نرم افزار Fluent ، از مدل سینتیکی تعیین شده از دادههای واقعی و آزمایشگاهی برای بیان واکنشهایی که در فرآیند اتفاق میافتد، استفاده می-شود و در نهایت از نتایج شبیهسازی به منظور درک بهتر فرآیند استفاده میشود. CFD یک روش برای پیشبینی جریان سیال، انتقال جرم، تنش برشی، واکنشها و سایر پدیدههای مرتبط با استفاده از حل دستگاه معادلات عددی توصیفکنندهی فرآیندهای مربوط به موازنهی جرم و مومنتوم و اجزا است.
مواد و روشها
کار آزمایشگاهی
در این تحقیق از اطلاعات مقالهی " مطالعهی هضم بیهوازی تغذیه ای اسیدهای چرب فرار با استفاده از میکروب های غنی شده در شرایط معتدل دوست" توسط امانی و همکاران - - 2011 استفاده می شود. برای انجام آزمایشهای برخورد تغذیه ای تجزیه اسیدهای چرب فرار بصورت ناپیوسته و رشد معلق ریزسازواره ها با برخورد تغذیهای از یک محفظه شیشهای با قطر 10 سانتیمتر و ارتفاع 15 سانتیمتر - حجم مفید 1 لیتر - استفاده شده است. ابعاد راکتور با هدف ایجاد شرایط یکنواخت و جلوگیری از ایجاد پروفایل های دما و غلظت در داخل آن تعیین گردیده است. برای همزدن از یک همزن راشتون با سرعت 100 دور در هر دقیقه استفاده شده و یک خروجی گاز در بالای مخزن تعبیه گردیده است.
ناحیه محاسباتی و شرایط مرزی
برای رسم هندسه و مش بندی از نرم افزار GAMBIT استفاده شد. ابعاد راکتور و همزن در شکل 1 نمایش داده شده است. برای مشبندی از مش مثلثی با تعداد 70000 استفاده شد که بهترین کیفیت مش را برای محاسبات نشان داد. نرم افزار FLUENT برای شبیه سازی ها استفاده شده است و روش اویلرین برای چندفازی در آن به کار برده شد. مایع - پساب حاوی اسیدهای چرب فرار - به عنوان فاز اصلی و پیوسته - primary - و گاز - گاز زیستی شامل دی اکسید کربن و متان - و جامد - لجن غنی شده - به عنوان فاز گسسته و ثانویه - secondary - تعریف شد. خروجی گاز با شرط مرزی perssur outlet و بر روی فشار جو محلی تنظیم شد. همه ی دیواره ها مرز غیرلغزشی فرض شده اند. کسر حجمی جامد - لجن - %2 می باشد.
کسر جرمی اولیه استیک اسید، پروپیونیک اسید و بوتیریک اسید به ترتیب 0,0025، 0,0015 و 0,002 بود. در این مقاله جریان ایجاد شده توسط همزن با استفاده از روش MRF شبیه سازی شد. ناحیه ی MRF یک استوانه در بردارنده ی همزن، به عنوان ناحیه ی داخلی و ناحیه ی اطراف آن به عنوان ناحیه ی خارجی می باشد که در شکل 2 نمایش داده شده است. هنگامی که یک MRF به کار می افتد، معادلات حرکت برای ترکیب کردن شتاب ایجاد شده، که به دلیل حرکت ناحیه ی چرخان نسبت به ناحیه ی ساکن بوجود می آید، اصلاح می شود و با حل این معادلات یک حالت پایدار از جریان اطراف همزن شبیه سازی می شود.[5]
