بخشی از مقاله
خلاصه
برجهای دیواره مرطوب از مهمترین تجهیزات در فرآیندهای جداسازی هستند که به علت سادگی، مشخص بودن سطح تماس دو فاز و امکان کنترل، در مطالعات نظری انتقال جرم استفاده میشوند. با توجه به اینکه شدت انتقال جرم و میزان جداسازی بطور مستقیم به عواملی چون سطح تماس دو فاز و میزان پراکندگی یک سیال در سیال دیگر بستگی دارد، نحوهی تشکیل فیلم مایع در این تجهیزات و بررسی هیدرودینامیک آن همواره مورد توجه بوده است.
در طول دهههای گذشته، مطالعات مختلفی بر روی فیلمهای مایع ریزان انجام شده است. در این پژوهش به منظور مطالعهی فیلم مایع در رژیم جریان آرام، یک برج دیواره مرطوب با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و مدل فاز پراکنده به صورت دو بعدی شبیهسازی شده است. با استفاده از این مدل در شرایط ناپایا، تشکیل فیلم مایع و امواج تولید شده روی سطح آن نشان داده شده است. همچنین تغییرات ضخامت فیلم با عدد رینولدز جریان مایع در شرایط پایا بررسی شده است. نتایج به دست آمده در این حالت به منظور اعتبارسنجی با دادههای تجربی و روابط تئوری مقایسه شده و بیانگر اینست که نتایج حاصل از شبیهسازی در توافق بسیار خوبی با دادههای تجربی هستند.
1. مقدمه
فرآیندهای جداسازی از مهمترین فرآیندها در صنایع شیمیایی هستند که هدف از آنها جداسازی اجزایی از یک مخلوط گازی ، مایع و یا جامد میباشد. در این فرآیندها جداسازیمعمولاً از طریق تماس دو سیال - گاز یا مایع - با یکدیگر و انتقال جرم از یکی به دیگری انجام میشود. بنابراین باید از تجهیزاتی استفاده شود که قابلیت ایجاد سطح تماس مناسب بین دو سیال را داشته باشند. چگونگی تماس گاز و مایع بسته به نوع وسیله متفاوت است. تجهیزات مختلفی که بدین منظور استفاده میشود به دو گروه کلی تقسیم میگردد :
- 1 تجهیزاتی که در آنها فاز گاز در فاز مایع پراکنده میشود.
- 2 تجهیزاتی که در آنها فاز مایع در فاز گاز پراکنده میگردد.
برجهای دیواره مرطوب3 از مهمترین تجهیزاتی هستند که در آنها فاز مایع در فاز گاز پراکنده میشود. در یک برج دیواره مرطوب، لایه نازکی از مایع از بالا به پائین و روی سطح داخلی برج جاری میشود و گاز نیز هم جهت و یا خلاف جهت حرکت مایع، در برج جریان مییابد. از این دستگاه به علت سادگی، مشخص بودن سطح تماس دو فاز و امکان کنترل، در مطالعات نظری انتقال جرم استفاده میشود.
جریان فیلم مایع در دهههای مختلف به طور گستردهای مطالعه شده است. اگرچه در حال حاضر روشهای اندازهگیری پیشرفتهای قابل توجهی داشتهاند، با این حال مطالعات آزمایشگاهی بر روی جریان فیلم مایع همچنان محدود به اندازه گیری سرعت موج، طول موج و ضخامت فیلم بوده و جریان درون فیلم به دلیل ضخامت بسیار کم آن به سختی قابل بررسی و اندازهگیری است
هم چنین بسیاری از مشخصات هیدرودینامیکی فیلم مایع ریزان از جمله ضخامت فیلم در حالت گذرا، توزیع سرعت، توزیع گردابه و توزیع تنش برشی که می توانند از طریق فصل مشترک بر انتقال حرارت و جرم بین دو فاز مؤثر باشند، به درستی شناخته نشده اند. از همین رو هیدرودینامیک فیلمهای مایع ریزان مورد توجه قرار گرفته است
مطالعهی عددی روشی امیدوارکننده برای درک بهتر جریان درون فیلم است
دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - با حل معادلات پیوستگی، مومنتوم، انرژی و اجزا قادر به پیشبینی پروفایلهای سرعت، فشار، دما و غلظت در سیستمهای بسیار پیچیده است. توانایی مطالعهی سیستمهای پیچیده و کمک به درک پدیدههای اساسی، CFD را به ابزاری ضروری برای مهندسان و دانشمندان تبدیل میکند. اطلاعات حاصل از این گونه شبیهسازی های عددی میتواند در شبیهسازی های با مقیاس بزرگتر ، طراحی تجهیزات و بهینهسازی آنها به کار رود. بدین ترتیب با کمتر شدن نیاز به آزمایشهای تحقیقاتی پرهزینه، هم در وقت و هم در هزینه صرفه جویی میشود
در طول دهههای گذشته، مطالعات مختلفی بر روی فیلمهای مایع ریزان انجام شده است. یکی از اولین فعالیتها در این زمینه مربوط به ناسلت است که جریان آرام و پایای یک فیلم میعان یافتهی بدون موج را که در اثر جاذبه از یک دیوار عمودی پایین میریخت، مورد مطالعه و بررسی قرار داده است. او روابطی را برای محاسبهی ضخامت فیلم، سرعت متوسط مایع درون فیلم و دبی حجمی مایع به ازای محیط تر شده به دست آورد
تِریئن و همکاران[5] 1 در سال 1970،سیلوِستر و همکاران[5] 2 در سال 1973 و اسکلاند و پوپادیک[ 5] 3 در سال 1975 دادههایی را در مورد ضخامت فیلم در فیلم های ریزان شبه پلاستیک با رژیم جریان آرام و موجدار- آرام ارائه کردهاند. البته این دادهها مربوط به شدت جریانهای بسیار کم هستند و برای تحقیقات با نرخ جریان زیاد، کارایی ندارند.
در سال 1983، یه و سو[5] 4 متوسط ضخامت فیلم مایع را در یک برج دیواره مرطوب برای آب و دو محلول غیر نیوتنی کربوکسی متیل سلولز و سدیم پلی اکریلات در غلظتها و دبیهای مختلف و رژیم جریان موجدار- آرام و توربالنت اندازه گیری کردند. آنها مشاهده کردند با افزایش غلظت و به تبع آن افزایش ویسکوزیتهی محلول پلیمری، ضخامت فیلم افزایش مییابد و از ضخامت مربوط به آب نیز بیشتر است. در سال 1993، جایانتی و هویت[4] 5 با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، هیدرودینامیک یک فیلم نازک با سطح موجدار را بررسی کردند. آنها پروفایل سرعت را برای جریان آرام دوره ای به دست آوردند.
هو و همکاران[6] 6 در سال 2010، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و مدل حجم سیال، جریان دو فازی را برای یک میکرو راکتور فیلم ریزان شبیهسازی کردند. پس از شبیهسازیهای دو بعدی و سه- بعدی، مشخصات هیدرودینامیکی شامل ضخامت فیلم و پروفایلهای سرعت، فشار و تنش برشی، تجزیه و تحلیل شدند. شبیهسازی دو بعدی برای مطالعهی رابطهی نرخ جریان مایع و ضخامت فیلم و همچنین تأثیرات نرخ جریان گاز، کشش سطحی، ویسکوزیته ی مایع و اختلاف فشار بر روی نرخ جریان مایع به کار گرفته شده است. شبیهسازی سه بعدی نیز برای ارائهی پروفایلهای جامعتری از جریان لازم است.
در سال 2014،یو و چِنگ[1 ] 7 با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی جریان فیلم آب را با در نظر گرفتن تنش برشی در سطح تماس آب- هوا و همچنین بدون در نظر گرفتن تنش برشی، به صورت سه بعدی شبیهسازی کردند. متوسط ضخامت فیلم، سرعت موج روی سطح فیلم و تنش برشی در دیواره به منظور مطالعهی رفتار جریان فیلم مایع مورد بررسی قرار گرفتند.
علیرغم پیشرفتهای چشمگیر در تکنیکهای CFD، جریانهای چند فازی همچنان موضوعی چالش برانگیز و بدون رویکرد مدلسازی واحد باقی ماندهاند .[3] مرور کارهای گذشته در زمینهی بررسی ضخامت فیلمهای مایع ریزان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی نشان میدهد که در اغلب این مطالعات از مدل حجم سیال8 استفاده شده است. با توجه به اینکه سرعت همگرایی مدل حجم سیال کم است، در این پژوهش مدل فاز پراکنده9 برای تشکیل فیلم مایع و بررسی هیدرودینامیک آن برای جریان آرام به کار گرفته شده است. در این مسئله فاز پراکنده آب است که به صورت فیلمی نازک روی دیوارهی برج توزیع میشود. فاز پیوسته نیز جریان هوای درون برج است.
2. روش پژوهش
ساختار برج دیواره مرطوب استفاده شده در این شبیهسازی بر اساس طراحی یه و سو [5] بوده و در شکل 1 نشان داده شده است. لولهی جداره مرطوب از جنس فولاد زنگ نزن با قطر خارجی 2/72 cm، ضخامت 0/23 cm و طول 212 cm است. لولهی خارجی هم مرکز با لولهی داخلی، از جنس شیشهی پیرکس و با قطر داخلی 10 cm، ضخامت 0/4 cm و طول 212 cm است.
یک راه مناسب برای توزیع یکنواخت مایع روی دیواره و تشکیل فیلم، سرریز شدن است[7]، بنابراین مایع درون لولهی داخلی به سمت بالا جریان مییابد و پس از سر ریز شدن، به صورت یک فیلم نازک روی جدارهی خارجی لوله توزیع میشود. جمع کنندهی مایع در پایین برج طوری قرار گرفته که طول مؤثر لولهی داخلی 183 cm در نظر گرفته میشود. جریان گاز نیز از بالای برج وارد شده، همسو با فیلم مایع جریان مییابد و از پایین برج خارج میشود
شکل :1 نمایی از برج دیواره مرطوب استفاده شده در این مطالعه
ابعاد برج و همچنین هندسهی ساخته شده در نرم افزار گمبیت1 همراه با ورودی و خروجیهای مورد نظر برای شبیهسازی دو بعدی، در شکل 2 نشان داده شده است. با توجه به متقارن بودن هندسهی مسئله، تنها نیمی از برج شبیهسازی شده است
