بخشی از مقاله
چکیده:
راکتورهای هواخیز در صنعت برای تولید برخی ترکیبات مانند اسیدهای ارگانیک، الکلها و پارافینها کاربرد فراوان دارد. از این رو توصیف هیدرودینامیک سیستم از اهمیت زیادی برخوردار است. شبیه سازی هیدرودینامیک راکتور هواخیز با جریان داخلی، به صورت سه بعدی و سه فازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی در محدوده سرعت ظاهری گاز ورودی 0/00162783 تا 0/0132816 متر بر ثانیه انجام گرفته است.
شبیه سازی تحت شرایط ناپایا و برای سیستم سه فازی جامد - مایع - گاز انجام شده است. مدل چندفازی اویلر- اویلر و مدل آشفتگی − و هندسه و شرایط عملیاتی راکتور هواخیزی به ارتفاع 2 متر، قطر 0/15 متر، قطر بالابرنده 0/10 متر، ارتفاع بالابرنده 1 متر، توزیع کننده از نوع داخلی و ارتفاع اولیه سوسپانسیون 1/1 متر برای شبیه سازیها لحاظ گردید.
سرانجام هیدرودینامیک سیستم سه فازی شامل ماندگی گاز، ماندگی جامد، سرعت چرخش مایع و سرعت چرخش جامد مورد بررسی قرار گرفت و توزیع شعاعی ماندگی و سرعت چرخش در مقاطع مختلف برج هواخیز بدست آمد. نتایج حاصل به خوبی با نتایج تجربی سایر محققین تطابق داشته و میزان اختلاف 20 درصدی را نشان میدهد.
-1 مقدمه
راکتور های هواخیز دوغابی به طور وسیع در صنایع شیمیایی، بیولوژیکی و تصفیه پساب ها مورد استفاده قرار میگیرند.[3-1] ساختار ساده، عدم حضور تجهیزات مکانیکی، پایین بودن هزینه تعمیر و نگهداری، پایین بودن مصرف انرژی و انتقال حرارت و انتقال جرم بالا از مهم ترین مزیتهای راکتور های هواخیز است. در راکتورهای هواخیز بر خلاف برجهای حبابکار مایع به چرخه اختلاط باز میگردد در حالی که گاز از طریق ناحیه جداکننده از سیستم خارج میشود .
[5,4 ] راکتور هواخیز در حقیقت مخزنی است که مایع در آن قرار دارد و گاز از پایین به درون آن وارد میشود و به دو دسته اصلی تقسیم میشود : راکتورهای هواخیز با چرخه خارجی و راکتورهای هواخیز با چرخه داخلی.[6] راکتورهای هواخیز با چرخه خارجی از دو لوله مجزا تشکیل شدهاست که از بالا و پایین به یکدیگر متصل است. واکنشهای صنعتی با سرعت کم - اکسیداسیون، هیدروژناسیون، کلراسیون و ... - گاهی در راکتورهای هواخیز با چرخه خارجی انجام میشوند.[7] راکتورهای هواخیز با چرخه داخلی، از دو لوله هم مرکز تشکیل شدهاست که گاز از پایین وارد راکتور میشود. به طور کلی راکتور هواخیز شامل چهار قسمت است: [9,8]
-1 پایین راکتور - ورودی گاز -
-2 بالابرنده - فضایی که گاز از طریق آن به بالا صعود می کند -
-3 جداکننده گاز - بالای راکتور -
-4 ناودانی - فضایی که مایع از طریق آن به پایین کشیده میشود - در شکل 1 انواع مختلف راکتورهای هواخیز و قسمتهای مختلف آن نشان داده شدهاست. نوع توزیع کننده گاز، نقش مهمی در تعیین محل بالابرنده و ناودانی ایفا میکند. اگر توزیع کننده درون لوله میانی قرار گیرد - توزیع کننده درونی - آنگاه لوله میانی نقش بالابرنده و فضای بین لوله میانی و لوله اصلی، نقش ناودانی را ایفا میکند. بر همین مبنا، اگر توزیع کننده بین لوله میانی و لوله اصلی قرار گیرد آنگاه لوله میانی نقش ناودانی را به خود میگیرد.
مقدار ماندگی گاز در ناحیه بالابرنده بسیار بیشتر از ناحیه ناودانی میباشد. به دلیل اختلاف ماندگی گاز در بالابرنده و ناودانی، چگالی مخلوط در این دو ناحیه متفاوت است و همین امر سبب ایجاد نیرو محرکه برای چرخش مایع درون راکتور میشود.[10] اگر ناحیه جداکننده به خوبی عمل کند آنگاه ماندگی گاز در ناودانی به حداقل رسیده و در این حالت نیروی محرکه چرخش مایع بیشینه میگردد.[11] ماندگی گاز در بالابرنده و سرعت مایع در بالابرنده و ناودانی دو پارامتر کلیدی هیدرودینامیکی راکتورهای هواخیز است که تخمین دقیق آنها برای طراحی راکتورهای هواخیز ضروری است.
یکی از روشهای دقیق برای پیشبینی و جلوگیری از وقوع پدیدههای نامطلوب، شبیه سازی با استفاده از نرم افزارهای مختلف است. یکی از تواناییهای مهم دینامیک سیالات محاسباتی پیشبینی کلیه پارامترهای هیدرودینامیکی است. پارامترهایی که حتی در کار تجربی نیز نمیتوان تغییرات آنها با زمان را ثبت و مشاهده کرد. از آنجا که بررسی پارامترهای هیدرودینامیکی سیستم دوغابی به صورت تجربی هزینههای زیادی اعم از مالی، زمانی و مصرف انرژی در پی خواهد داشت لذا با توجه به توانایی دینامیک سیالات محاسباتی در شبیه سازی، جهت کاهش هزینهها از این ابزار استفاده میگردد.
تا کنون چندین مدل دو فازی و سه فازی برای تعیین این پارامترها ارائه شدهاند.[14-12] بلازیج1 و همکاران[14]، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی اثر سرعت ظاهری گاز ورودی به راکتور را بر ماندگی گاز و سرعت چرخش مایع در یک راکتور هواخیز مورد مطالعه قرار دادند و گزارش دادند که با افزایش سرعت ظاهری گاز ورودی به راکتور، ماندگی گاز و سرعت چرخش مایع در بالابرنده به صورت خطی افزایش مییابد. باتن2 و همکاران[15]، چند هندسه راکتور هواخیز را بوسیله دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی و گزارش نمودند که با افزایش نسبت سطح مقطع ناودانی به سطح مقطع بالابرنده، سرعت چرخش مایع افزایش یافته و ماندگی گاز در راکتور کاهش مییابد.
در این پژوهش تاثیر سرعت ظاهری گاز بر پارامترهای هیدرودینامیکی راکتور هواخیز با چرخه داخلی در حالت دوفازی و سه فازی به صورت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفت و یک مدل 3CFD بر مبنای اویلر - اویلر4 برای پیش بینی پارامترهای هیدرودینامیکی برج هواخیز دوغابی ارائه گردید. این مدل شامل توزیع شعاعی و محوری پارامترهای هیدرودینامیکی میباشد.
-2 مبانی نظری
-1-2 سرعت ظاهری گاز
سرعت ظاهری گاز در بالابرنده معیاری از سرعت ظاهری گاز در راکتور هواخیز میباشد که برابر است با نسبت دبی ورودی گاز به سطح مقطع بالابرنده که درمعادله - 1 - نشان داده شده است.[6]
