بخشی از مقاله
چکیده
تقطیر یکی از متداولترین روشهای جداسازی است، عملکرد برج های تقطیر وابستگی زیادی به اختلاط و تماس موثر دو فاز مایع و بخار دارد. سینیهای سانتریفیوژی نوع جدیدی از سینیهای مورد استفاده در فرایندهای تقطیر و جذب هستند که با استفاده از نیروی گریز از مرکز اختلاط موثری را بین فازها فراهم میآورند. در این مقاله هیدرودینامیک و الگوی توزیع جریان گاز مایع بر روی سینیهای سانتریفیوژ با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و مدل دوفازی حجم سیال بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که مدل حجم سیال به خوبی قادر به تشریح الگوی جریان گاز- مایع در سینیهای یاد شده است. ایجاد یک چرخشی از مایع بر روی این سینی باعث یکنواختی توزیع جریان بر روی سینی، از یبن رفتن نواحی مرده و در نتیجه افزایش راندمان جداسازی میگردد.
کلمات کلیدی: سینی تقطیر، گاز- مایع ، سانتریفیوژ روش حجم سیال دینامیک سیالات محاسباتی
نکات برجسته پژوهش
·شبیهسازی کامل یک سینی سانتریفیوژی به عنوان نسل جدیدی از سینیهای تماس گاز- مایع
·بررسی الگوهای توزیع جریان گاز و مایع بر روی به منظور افزایش راندمان و جلوگیری از پدیدههای نامطلوب
-1 مقدمه
تقطیر یکی از مهمترین روشهای جداسازی مخلوطهای مایع میباشد و همواره از مهمترین موضوعاتی است که مورد توجه محققان و صنایع میباشد. افزایش بازدهی جداسازی راحتتر سریعتر و ارزانتر همواره از موضوعات مورد مطالعه در این زمینه میباشند. در طراحی برجهای سینیدار همواره بایستی از یافتههای تجربی و تئوری استفاده نمود. یک طراحی خوب و مناسب شامل تماس موثر فاز بخار و مایع و راندمان بالا میباشد. سینیهای سانتریفیوژ از جدیدترین نوع سینیهای معرفی شده هستند که با استفاده از آخرین فناوریهای روز طراحی و ساخته شدهاند. این سینیها با استفاده از نیروی گریز از مرکز جداسازی مناسب و کاملی از دو فاز را فراهم میآورد.مدلهای اولرین-اولرین و حجم سیال - - VOF دو مدل شناخته شده در پیشبینی رفتار جریانهای دو فاز و هستند، بسیاری از محققان در شبیهسازی جریان گاز-مایع بر روی سینیهای برج تقطیر از این مدلها استفاده کردند.[1]
در مدل اولرین-اولرین معادلات هر فاز به صورت کاملا مجزا از فاز دوم قرار دارد و برای هر المان از مخلوط، معادلات میدان سرعت، فشار، دما به صورت جداگانه در هر فاز حل میگردد. ارتباط بین دو فاز نیز از طریق معادلاتی نظیر درگ، لیفت و سایر مدلهایی که انتقال مومنتوم، حرارت و یا انتقال جرم بین دو فاز را برقرار میکند، انجام میشود.[2] در حالی که در روش حجم سیال میدان برای هر دو فاز تنها یک معادله برای میدان سرعت، فشار و دما به کار میرود و یک معادله برای مشخص شدن فصل مشترک دو سیال استفاده می شود. مدل حجم سیال در مسائلی که پیشبینی فصل مشترک دو فاز اهمیت دارد بسیار مناسب میباشد4]،. [3 در این تحقیق یک سینی کامل سانتریفیوژی مستطیلی به صورت سه بعدی و ناپایا، با استفاده از روش حجم سیال شبیهسازی گردیده است. معادلات بقا با استفاده از روش حجم محدود، برای مشخص شدن میدان سرعت، فشار و توزیع فازهای بخار و مایع حل گردیده است.
-2 معادلات حاکم
در روش حجم سیال در یک حجم کنترل مجموع کسر حجمی تمام فازها برابر یک است. سایر پارامترها و میدانها در این روش به صورت میانگین حجمی در هر المان محاسبه می شود. به طوری که کسر حجمی فاز q ام را با αq نشان داده میشود. دنبال کردن فصل مشترک دو فاز با حل معادله بقای جرم برای کسر حجمی یکی از فازها بدست میآید، این معادله بر اساس فاز q ام به صورت زیر بیان میشود. - 1 - در یک سیستم دو فازی تنها نیازمند حل معادله فوق برای یکی از فازها - فاز دوم - خواهیم بود و کسر حجمی فاز اول بر اساس کسر حجمی فاز دوم در هر سلول محاسبه میشود. در حل معادله فوق بردار سرعت از حل معادله ناویر-استوکس و به صورت زیر بدست میآید.
جمله نیروی حجمی موجود در معادله بقای مومنتوم شامل نیروی تنش بین سطحی فازها میشود که براساس مدل نیروی سطحی پیوسته محاسبه میشود. درحل معادلات ناویر-استوکس برای جریان آشفته، یک جمله نوسانی به نام تنش رینولدز به معادلات اضافه میگردد این جمله که به دلیل نوسانات سرعت در جریان آشفته به معادلات افزوده میشود، آن را غیر قابل حل نموده بنابراین برای بدست آمدن میدان سرعت بایستی از مدلهای آشفتگی استفاده کرد، در این کار از مدل آشفتگی k- استاندارد استفاده گردید. تمامی معادلات ذکر
شده به صورت همزمان در نرم افزار حل شدند.
-3 هندسه و شرایط مرزی
ابعاد و اندازههای سینی سانتریفیوژ مورد مطالعه در جدول1 آورده شده است سینی مورد بحث شامل 4 سوراخ است که در هر سوراخ 8 پره با زاویه 15درجه قرار دارد که با عبورجریان گاز از این ناحیه یک میدان چرخشی ایجاد میشود که نقش عمدهای در افزایش سطح تماس دو فاز و جداسازی آنها دارد. شکل1 نشاندهنده هندسه سیستم یاد شده است.
