بخشی از مقاله
چکیده :
در این مطالعه شبیهسازی هیدرودینامیکی جریان دوفازی مایع- جامد درون یک رایزر عمودی انجام شده است. پروفایل سرعت و هلدآپ فاز جامد درون راکتور در سرعت های ورودی 23 cm/sو 20 و 15 و نسبتهای دبی جامد به مایع 0/2 و 0/15 و 0/1 بدست آمده است. شبیه سازی به روش اویلر-اویلر همراه با تئوری سینتیک جریان دانهای انجام شده است و اثر تغییر سرعت ورودی و نسبت دبی جامد به مایع بر روی دمای دانهای فاز جامد بررسی شده است.
نتایج شبیه سازی نشان میدهد که با افزایش نسبت دبی جامد به مایع در سرعت ثابت، مقدار میانگین سرعت محوری فاز جامد افزایش مییابد. دمای دانهای فاز جامد نیز با افزایش سرعت ورودی مایع در نسبت دبی جامد به مایع ثابت افزایش مییابد. به دلیل تطابق خوب نتایج شبیه سازی و دادههای آزمایشگاهی، میتوان از این نتایج برای افزایش مقیاس سیستم آزمایشگاهی به سیستم صنعتی استفاده کرد.
-1 مقدمه
متیل ترشری بوتیل اتر - MTBE - به عنوان جایگزین تترا اتیل سرب برای افزایش عدد اکتان بنزین، بهسوزی سوخت و کاهش آلایندگی گازهای خروجی از اگزوز خودروها مورد استفاده قرار می گیرد. MTBE که در حدود %15 حجمی به بنزین اضافه میشود، عدد اکتانی در محدوده 106-110 دارد. حلالیت MTBE در آب بسیار زیاد است و به مقدار خیلی کمی در خاک جذب میشود بنابراین به راحتی در خاک نفوذ کرده و وارد آبهای زیرزمینی میشود.
آلودگی آبهای زیرزمینی به MTBE بسیار خطرناک است زیرا این آب به صورت مستقیم یا غیرمستقیم به مصرف انسان رسیده و بر روی سلامتی او تاثیرگذار میباشد. به دلیل مشکلات زیست محیطی MTBE، استفاده از آن در چند ایالت آمریکا از سال 2002 ممنوع شده است .[1] الکیلیت یک سوخت پاک با مقدار سولفور کم، RVP پایین و عدد اکتان بالا میباشد که شامل ترکیبات الفینی و آروماتیک نیست و به عنوان بالابرنده عدد اکتان و جایگزین MTBE در بنزین مورد استفاده قرار می-گیرد .[2] الکیلاسیون واکنش تولید الکیلیت از ایزوبوتان و یک الفین در حضور یک کاتالیزور اسیدی میباشد.
الفین مورد استفاده میتواند -1بوتن، -2بوتن، پروپیلن و ایزوبوتن و یا ترکیبی از این مواد باشد. واکنش الکیلاسیون در حضور اسید سولفوریک یا اسید هیدروفلوئوریدریک در دمای زیر 50 °C و در فشار کمتر از bar 30 انجام میشود .[3] استفاده از اسیدهای مایع قوی در واحدهای الکیلاسیون منجر به خوردگی شدید تجهیزات این واحد می-شود .[4] تلاش برای یافتن کاتالیزور اسیدی جامد برای واکنش الکیلاسیون ایزوبوتان از سالهای آخر 1960 آغاز شد. محققان مختلف این واکنش را بر روی زئولیت X، زئولیت Y، اسیدهای غیرزئولیتی مثل HF-SbF5 بر پایه آلومینا و آمبرلیست 15 بهبود یافته با BF3 و اسیدهای چند حلقهای انجام دادند .
از آنجا که اغلب کاتالیستهای سنتز شده برای واکنش الکیلاسیون در زمان خیلی کمی غیرفعال می-شوند، باید فرایند احیا کاتالیست به صورت پیوسته انجام شود 6] ، .[7 برای این منظور خوراک مایع و کاتالیست احیا شده از پایین وارد رایزر شده و واکنش انجام میشود. سپس محصولات واکنش و کاتالیست غیرفعال شده از هم جدا شده و کاتالیست به قسمت احیا فرستاده میشود.
برای طراحی و بهینه سازی واحد الکیلاسیون درک رفتار هیدرودینامیکی جریان دوفازی مایع- جامد درون راکتور های دوغابی ضروری است 8]، 9، .[10 به همین منظور در این مقاله شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی برای جریان دوفازی حاوی آب و ذرات کروی از جنس شیشه برای پیش بینی پروفایل سرعت و کسر حجمی ذرات جامد درون راکتور دوغابی انجام شده و نتایج بدست آمده با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شده است.
-2 معادلات حاکم
به طور کلی دو مدل مختلف برای شبیه سازی هیدرودینامیک جریان دوفازی مایع - جامد درون راکتورهای دوغابی به صورت اویلر - لاگرانژ و اویلر - اویلر وجود دارد. در مدل اویلر - لاگرانژ، فاز جامد به صورت یک فاز گسسته و فاز مایع به صورت یک فاز پیوسته در نظر گرفته میشود. در این مدل برای هر ذره جامد معادلات بقا نوشته شده و حل میشوند به همین دلیل حجم محاسبات انجام شده بسیار بالا بوده و برای بیشتر تجهیزات صنعتی قابل استفاده نمیباشد .[11]
مدل اویلر- اویلر هر دو فاز مایع و جامد را به صورت فازهای پیوسته در نظر میگیرد و برهمکنش بین فازها را با روابطی برای نیروی دراگ توصیف میکند. این مدل باعث کاهش زمان انجام محاسبات برای مسائل مهندسی میشود. معادله تغییرات مکانی و زمانی بوده و ترم سمت راست تولید جرم به وسیله واکنش را نشان میدهد. از آنجا که در اینجا واکنش در نظر گرفته نمیشود این ترم صفر خواهد بود. در این معادله همچنین فرض شده است که هیچ تبادل جرمی بین دو فاز انجام نمیشود.
در جریان جامدات برخورد بین ذرات جامد در تنش نرمال فاز جامد موثر است. از آنجا که در مدل دوسیالی فاز جامد به یک فاز پیوسته وصل میشود، تنشهای نرمال که در اثر برخورد ذرات جامد به هم ایجاد میشوند، در فشار جامد وارد میشود .[12] ترم تنش . _f بیانگر تنشهای برشی در فاز مایع هستند. در سرعتهای خیلی بالای مایع بیشتر سهم این ترم مربوط به برهمکنش ادیها میشود. تنش در فاز مایع به کمک مدل آشفتگی k- بررسی شده است.
