بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، جدا کنندهی سیکلونی پیش گرمکن کارخانه سیمان کرمان که دارای ورودی حلزونی شکل است جهت یافتن افت فشار و راندمان به کمک دینامیک سیالات محاسباتی شبیه سازی شده است. معادلات مومنتوم و پیوستگی جهت پیدا کردن میدان جریان حل شدهاند. جهت مدل سازی جریان آشفته از مدل تنش رینولدز و مدل اویلرین - لاگرانژ برای فاز پراکنده - ذرات جامد - استفاده شده است. نتایج شبیه سازی با دادههای تجربی اعتبار سنجی شده و با توجه به افت فشار و دبی ورودی به سیکلون، سیکلون استایرمند طراحی شده است. نتایج نشان میدهد که سیکلون استایرمند برای داشتن افت فشار یکسان به ابعاد بزرگتری نیازمند است در حالی که بازده تقریبا یکسانی گزارش شد.
-1 مقدمه
سیکلونها دستگاههای ساکن مکانیکی هستند که با استفاده از نیروی گریز از مرکز، ذرات جامد را از گاز حامل آن جدا میکنند. با توجه به طیف گسترده و سادگی ساختار سیکلونها که منجر به سرمایه گذاری و هزینههای نگهداری پایین میشود، آنها به صورت گسترده در صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند. طراحی یک سیکلون شامل سازش بین متغیرهای عملکرد اصلی، شامل بازده و افت فشار است .[1]
با توجه به افزایش نگرانیهای زیست محیطی در مورد تغییرات آب و هوا و اینکه صنعت سیمان یک تهدید بلند مدت محسوب میشود. به عنوان یک راه حل، مقررات مختلف سختگیرانه بر این صنعت تحمیل شده است. به این دلیل در حال حاضر پژوهشهای متفاوتی برروی تکنیکهای مختلف که میتواند در بهبود بهرهوری تولید سیمان کمک کند ارائه میشوند .[2]
میکولکیک و وژانوویک در سال [3] - 2014 - به مطالعه عددی جریان گاز-جامد داخل سیکلون سیمان پرداختند و از روش اویلرین-لاگرانژ برای محاسبه عددی جریان گاز-جامد و برای مدل کردن جریان آشفته از روش شبیه سازی ادیهای بزرگ استفاده کردند. مدل لاگرانژی برای محاسبه عددی واکنش کلسیناسیون انجام شده در فاز جامد استفاده شد. ایشان توزیع حرارت داخل سیکلون را که به دو علت تبادل حرارت بین فاز گاز و فاز جامد و همچنین رخ دادن واکنش گرما گیر تکلیس است، با شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی به دست آورند.
پارامترهای متعددی در کارایی سیکلون مانند نوع ورودی به سیکلون، محل ورود ذرات در مجرای ورودی سیکلون، قطر ذرات ورودی، سرعت و دبی مخلوط ورودی به سیکلون، چگالی ذرات و سیال حامل آن، دما، ویسکوزیته سیال و هندسه سیکلون مؤثر هستند .[4] خیری الساید در سال [5] - 2015 - ابعاد سیکلون را برای داشتن کمترین افت فشار بهینه کرد. طول و عرض ورودی سیکلون، قطر گردابه یاب و ارتفاع قسمت مخروطی برای بهینه سازی لحاظ شد.
در دبی ورودی مشابه افت فشار سیکلون طراحی شده %22 افت فشار سیکلون استایرمند بود. خیری الساید و لکور در سال [2] - 2012 - یک مطالعه چند هدفه برروی جدا کنندهی سیکلونی انجام دادند، دو شبکه عصبی تابع پایه شعاعی به کار گرفته شد تا افت فشار و قطر حد را مدل کنند. نتایج آنها اثر قابل توجه قطر گردابه یاب، طول گردابه یاب، عرض ورودی، ارتفاع کلی را روی راندمان سیکلون نشان داد. به منظور داشتن کمترین افت فشار و قطر حد، بهینه سازی دو هدفه انجام شد و ابعاد بهینه بدست آمد. سیکلون طراحی شده و سیکلون استایرمند، از نظرنسبت ابعاد هندسی بسیار به یکدیگر نزدیک بودند، افت فشار کمتر ولی قطر برشی آنها نزدیک به هم بود.
زاو و همکاران در سال [6] - 2015 - به بررسی اثر ورودیهای متفاوت بر عملکرد سیکلون - بازده و افت فشار - پرداختند. سه سیکلون با ورودیهای متفاوت: ورودی مماسی متداول ، ورودی مارپیچ متقارن محوری و ورودی متقارن همگرا شبیه سازی و حل عددی شدند. نتایج آنها نشان داد سیکلونهای مارپیچ متقارن مخصوصا با هندسه ورودی همگرا اثر قابل ملاحظهای روی افزایش بازده به همراه افزایش بسیار ناچیزی در افت فشار دارند.
نوع ورودی به سیکلون در عملکرد آن اثر قابل ملاحظهای میگذارد، متداولترین ورودی که شامل سیکلونهای استایرمند نیز میباشد از نوع مماسی است. نوع دیگر، ورودی حلزونی میباشد. در این مطالعه هدف شبیه سازی سیکلون پیش گرمکن کارخانه سیمان کرمان است که ورودی از نوع حلزونی دارد و سپس سیکلون شبیه سازی شده با سیکلون استایرمند که دارای افت فشار یکسان است از نظر ابعاد و بازده مقایسه میشود.
-2 تئوری و معادلات حاکم
سیکلون به طور معمول به عنوان پیش غبارگیر در ورودی غبارگیر اصلی یا در برخی شرایط میتواند به عنوان غبارگیر اصلی نیز مورد استفاده واقع شود. چهار مرحلهی اصلی تولید سیمان که بیشترین اثر در کیفیت نهایی سیمان را دارند عبارتند از: پیش گرم کردن مواد خام، کلسیناسیون، پخت کلینکر و سرد کردن کلینکر که در شکل 1 نمایش داده شدهاند.
قبل از مرحلهی گرم کردن، مواد خام جمع آوری، خرد و با مواد افزودنی مخلوط میگردند و به سیستم پیش گرمکن سیکلونی انتقال مییابند. سیستمگرمایشی سیکلونی که معمولا شامل مجموعهای از 3 تا 4 سیکلون میباشد، به منظور بهبود روند تبادل حرارت توسعه یافته است. پیش گرمکن قبل از کلسیناسیون و کورههای دوار قرار گرفته و چند طبقه دارد - اصل هر طبقه مشابه است - . مواد خام به همراه گاز داغ خروجی از کوره دوار در حرکت هستند و در مسیر گرما داده میشوند. %80 انتقال حرارت در داکت و %20 در داخل سیکلون انجام میشود . [7]
-1-2 هندسه مسأله
ابعاد هندسه سیکلون شبیه سازی شده در جدول1 آمده است. سرعت و دمای ورودی گاز به ترتیب 14/7m/s و693 K چگالی گاز ورودی 0/47 kg/m3 و ویسکوزیته 2/11×10-5 pa.s میباشند. مقادیر تلاطم به صورت یکنواخت در ورودی اعمال شده است. شدت تلاطم برابر %3/2 و قطر هیدرولیکی 1/3 m است.
