بخشی از مقاله
چکیده :
با توجه به گستردگی کاربرد برج های سینی دار در صنایع مختلف بخصوص در صنایع نفت و گاز، طراحی و آنالیز سینی ها اهمیت زیادی دارد . از جمله تعیین سطح فعال سینی، تعداد حفره ها و نحوه قرار گرفتن آنها ومشخص کردن ارتفاع بند، که در تعیین بازده برج های سینی دار نقش دارند . درگذشته برای انجام این کار از یک برج در مقیاس آزمایشگاهی و انجام آزمایشاتی با صرف هزینه زیاد استفاده می شد . لذا مشخص کردن الگوی جریان روی سینی ها بسیار مهم است .
امروزه با در دسترس بودن کامپیوترهای پر سرعت و نرم افزار های شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی 1 این امر تسهیل گردیده است. بطوریکه می توان با صرف هزینه کم، اطلاعات جامع تر و کلی تری را بدست آورد. مدلسازی دینامیک سیالات محاسباتی پیشین، برای شرایط پایدار و شبکه منظم انجام شده بو د. در این مقاله شرایط ناپایدار در نظر گرفته شده و گرید بندی ناحیه مورد بررسی بر اساس شبکه غیر منظم صورت گرفته است.
هندسه در نظر گرفته شده مطابق با شرایط مربوط به داده های آزمایشگاهی و شبیه سازی قبلی بوده است . توزیع سرعت بدست آمده در روی سینی در سه مطالعه ن ام برده مقایسه شده و نتایج مقاله حاضر تطابق بهتری با نتایج آزمایشگاهی داشته است . بعلاوه تغییر سرعت فاز مایع و فاز بخار در روی سینی و نیز تغییرکانتور حجمی فاز بخار نسبت به زمان درصفحه تقارن هندسه بررسی شده است و همچنین تاثیر دبی گاز و مایع در زمان رسیدن به شرایط پایدار تعیین شده است.
مقدمه
امروزه با توجه به کاربرد زیاد برج های سینی دار در صنایع نفت و گاز بخصوص در فرآیند های جداسازی و جذب، بررسی عملکرد سینی ها و طراحی آنها بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است، تا بتوان با تعیین پارامترهای موثر بر عملکرد سینی، بازده فرآیند را بالا برد و از وقوع پدیده های نامطلوب جریان نظیر مخروطی شدن ، شرشرکردن، چکه کردن و ... بر روی سینی جلوگیری کرد.
با پیشرفت در علوم کامپیوتر ودسترس بودن نرم افزا ر های تجاری در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی، می توان بدون نیاز به صرف هزینه زیاد برای انجام آزمایشات که معمولا گران قیمت و زمان بر هستند عملکرد سینی ها را از جهت هیدرو دینامیکی، انتقال حرارت و انتقال جرم مورد بررسی قرار داد و اثر عوامل مورد نظر بر کارآیی سینی و کل فرایند را براحتی مشخص کرد.
برای آنالیز و طراحی یک سینی داشتن اطلاعات کافی در مورد چگونگی الگوی جریان روی سینی ضروری است. با در اختیار داشتن نحوه توزیع سرعت، چگونگی پراکندگی فاز مایع و بخار در سینی، زمان اقامت مایع در روی سینی، ارتفاع مایع در ناود انی و همچنین توزیع غلظت در سینی با توجه به هیدرودینامیک جریان در آن و ... می توان طراحی سینی را برای دستیابی به کارآیی هرچه بیشتر انجام داد . وقتی صحبت از طراحی سینی می شود منظور تعیین تعداد حفره های سینی و چگونگی آرایش آنها، ارتفاع بند سینی، تعیین سطح فعال سینی، ارتفاع ناودانی و ... می باشد که در گذشته ساخت یک برج در مقیاس آزمایشگاهی و انجام آزمایشات تجربی تنها راه تهیه اطلاعات لازم برای طراحی سینی بود . اما امروز این اطلاعات را می توان با استفاده از نرم افزار های دینامیک سیالات محاسباتی و در نظر گرفتن معادلا ت انتقال و شرایط مرزی مناسب و حل آنها بدست آورد.
شبیه سازی های انجام شده با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است .شبیه سازی هایی که با استفاده از نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی برای طراحی هیدرودینامیکی سینی برج انجام شده به دو دسته تقسیم بندی می شوند. دسته اول شبیه سازی هایی هستند که بدون در نظر گرفتن فضای ناودانی برای هندسه سینی انجام شده اند که برای مثال می توان به شبیه سازی کریشنا اشاره کرد ]َ.[ دسته دوم شبیه سازی هایی که فضای هندسی آن ها دارای ناودانی هستند مانند مطالعه گسیت و ناندوکومار در مورد سینی های مشبک]ُ[ و زارعی و رحیمی در مورد سینی های کلاهکی
شبیه سازی گسیت و ناندوکومار ]ُ[ برای شرایط ناپایدار با استفاده از شبکه با ساختار منظم با نرم افزار CFX 4.4 و برای شرایط پایدار با استفاده از شبکه با ساختارنامنظم با نرم افزار CFX 5.4 انجام شده است.
در سال ٌَُّ سولاری و بل]ٌ[ با بکار گیری یک برج سینی دار که شامل ِ سینی مشبک در مقیاس پایلوت بود، آزمایشاتی را برای سیستم آب- هوا انجام دادند و توانستند با استفاده از تکنیک فلورومتریک توزیع سرعت روی سینی و زمان اقامت را برای یک هندسه مشخص و شرایط عملیاتی ث ابت در دبی های مختلف مایع و گاز بدست آوردند. کار های مشابه آزمایشگاهی دیگری نیز انجام شده است که می توان از آن ها به کار های سولو و کینن ]ٍ[ و کریشنا ]َ[ نیز اشاره کرد . شبیه سازی های پیشین با داده های آزمایشگاهی سولاری و بل]ٌ[ مقایسه شده اند.
در این مقاله شرایط ناپایدار با در نظر گرفتن شبکه با ساختار نامنظم در محدوده مورد بررسی شبیه سازی شده است. به این ترتیب در شرایط ناپایدار در مناطق حساس جریان اندازه گرید ها را ریزتر شده و در مقایسه با شبیه سازی های قبلی به نتایجی با دقت بیشتر در مدت زمان محاسباتی کوتاهتر ی دست یافته ایم. لازم به ذکر است در این مقاله، برای حل معادلات حاکم از روش حجم محدود، بر اساس روش تخمین بالا دست1 استفاده شده است.
مدل سازی
در مدلسازی انجام شده انتقال هوا به آب که مایع روی سینی می باشد در شرایط هم دما مورد بررسی قرار می گیرد. از آنجا که انتقال حرارت و انتقال جرم تاثیری در این فرآیند ندارد لذا فقط معادلات ممنتوم در نظر گرفته می شوند. هر دو فاز بعنوان سیال غیر قابل ترکم فرض شده اند و خواص فیزیکی آنها ثابت در نظر گرفته شده است. میدان فشار نیز برای هر دو فازیکسان فرض شده است:
ویسکوزیته در دو فاز مایع و گاز ترکیبی از حالت جریان آرام و جریان درهم در نظر گرفته شده است:
جریان فاز مایع درهم و مطابق مدل − و جریان هوا آرام فرض شده است.
جریان گاز و مایع در این مدلسازی بر اساس مدل اولرین- اولرین در نظر گرفته شده بطوریکه فاز گاز بعنوان فاز پراکنده و فاز مایع بعنوان فاز پیوسته در نظر گرفته شده است
