بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق هیدرودینامیک راکتور بستر قطرهای در مقیاس آزمایشگاهی توسط روش CFD مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور شبیهسازی رفتار چند فازی راکتور از دیدگاه اولری-اولری استفاده شد و اثر برهمکنشهای بین فازی در معادلات ممنتوم بر اساس نیروهای برهمکنش بین فازی مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین به کمک تابع توزیع تخلخل اثر دیواره بر روی نحوه توزیع تخلخل بستر در محاسبات اعمال گردید.
با بررسی اثر سرعت فاز گاز بر افت فشار راکتور و ماندگی فاز مایع نشان داده شد که افزایش سرعت فاز باعث افزایش افت فشار درون بستر میشود در مقابل با افزایش سرعت فاز گاز میزان ماندگی فاز مایع در راکتور کاهش پیدا میکند. همچنین با بررسی اثر سرعت فاز مایع مشاهده شد که با افزایش سرعت فاز مایع افت فشار راکتور و همچنین ماندگی فاز مایع در راکتور افزایش پیدا میکند.
نکات برجسته پژوهش
· استفاده از دیدگاه اولری-اولری در شبیهسازی CFD راکتور بستر قطرهای
· اعمال اثر دیواره بر نحوه توزیع تخلخل بستر کاتالیستی
· افزایش افت فشار راکتور با افزایش سرعت فاز مایع و گاز
· افزایش ماندگی فاز مایع با افزایش سرعت فاز مایع، کاهش ماندگی فاز مایع با افزایش سرعت فاز گاز
-1 مقدمه
امروزه با توجه به اینکه تقاضای جهانی برای فرآوردههای نفتی در حال افزایش میباشد، ارائه روشهای جدید بهینهسازی و توسعه عملکرد تجهیزات و فرآیندهای تولید و پالایش مواد هیدروکربنی به شدت مورد توجه قرار گرفته است. در میان تجهیزات متعدد موجود در صنایع پالایش و فرآوری مواد هیدروکربنی، راکتورهای بستر قطرهای - TBR - 1 بهطور گستردهای برای فرآوری ترکیبات نفتی مورد استفاده قرار مانند واکنشهای سولفورزدایی HDS2، نیتروژنزدایی HDN3 و آروماتیکزدایی HDA4 میگیرند. مسئله اصلی در این دسته از راکتورها پیشبینی رفتار هیدرودینامیک راکتور در شرایط مختلف عملیاتی است.
اهمیت مطالعه رفتار هیدرودینامیکی در راکتورهای بستر قطرهای از این جهت مورد توجه است که دانستن چگونگی رژیم جریان و مشخصات هیدرودینامیک جریان مانند افت فشار، ماندگی فازها و چگونگی توزیع جریان فاز گاز و مایع در راکتور میتواند در طراحی بهینه این دسته از راکتورها کمک قابل توجهی کند. امروزه با در دسترس بودن ابزار CFD میتوان رفتار هیدرودینامیک راکتورهای بستر قطرهای را بهخوبی مورد مطالعه قرار دارد. در این تحقیق سعی شده است تا به کمک ارائه معادلات مناسب برای شبیهسازی CFD راکتور بستر قطرهای عملکرد راکتور در شرایط عملیاتی مختلف مورد بررسی قرار گیرد.
-2 مروری بر منابع
رفتار هیدرودینامیکی در راکتورهای بستر قطرهای را میتوان بر اساس پارامترهای هیدرودینامیکی مانند افت فشار، ماندگی مایع، پخششدگی فاز مایع، تر شوندگی کاتالیست و همچنین رژیم جریان توضیح داد. بنابراین شناخت و بررسی دقیق هیدرودینامیک راکتورهای بستر قطرهای پیشنیاز مهم و اصلی در طراحی و افزایش مقیاس این دسته از راکتورها میباشد. در طی دهههای گذشته تحقیقات متعددی در زمینه شبیهسازی CFD راکتورهای بستر قطرهای صورت گرفته است که در این تحقیق به برخی از دستاوردهای محققین اشاره میگردد.
تحقیقات انجام شده در زمینه بررسی افت فشار و ماندگی مایع در راکتورهای بستر قطرهای به عنوان اصلیترین تحقیقات صورت گرفته در زمینه شبیهسازی CFD این دسته از راکتورها شناخته میشوند. جیانگ و همکاران 1]، [2 بر اساس مدل اولری میزان ماندگی مایع و افت فشار را مورد بررسی قرار دادند. گانجال و همکاران [3] با ارائه مدل CFD بر مبنای دیدگاه چند فازی اولری-اولری، پارامترهای هیدرودینامیکی راکتور بستر قطرهای را مورد بررسی قرار دادند. تحقیقات آنها شامل بررسی افت فشار و ماندگی مایع در شرایط عملیاتی مختلف میباشد.
نتایج CFD آنها با سه دسته از دادههای موجود در منابع [6-4] مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج مدل نشان دهنده پیشبینی مناسب دادههای آزمایشگاهی افت فشار و ماندگی مایع میباشد. بزمی و همکاران [7] به بررسی رفتار هیدرودینامیک، ماندگی مایع و افت فشار در راکتور بستر قطرهای پرشده با کاتالیستهای سهپر بر اساس مدل چند فازی اولری-اولری پرداختهاند.
آنها خواص هیدرودینامیکی بستر را در دو چیدمان مختلف فشرده و غیر فشرده ذرات کاتالیست و در سرعتهای مختلف فاز گاز و مایع مورد بررسی قرار دادند. با مقایسه نتایج CFD و آزمایشگاهی نشان داده شد که مدل CFD مورد استفاده بهخوبی توانایی پیشبینی رفتار هیدرودینامیک راکتور را دارد. همچنین در تحقیق دیگری، بزمی و همکاران [8] به بررسی نحوه توزیع فاز مایع درون راکتور بستر قطرهای پرداختند.
سلیمی و همکاران [9] بر اساس دیدگاه سه فازی اولری-اولری به بررسی افت فشار و ماندگی مایع در راکتور بستر قطرهای با سطح مقطع مستطیلی پرداختند. مقایسه پارامترهای هیدرودینامیکی آزمایشگاهی با نتایج حاصل از شبیهسازی CFD نشان داد که مدلهای مورد استفاده در شبیهسازی عددی بهخوبی توانایی پیشبینی رفتار هیدرودینامیکی راکتور را دارند. همچنین در کار آنها نشان داده شد که در راکتوری با سطح مقطع مستطیلی و قطر معادل با راکتور استوانهای به علت بیشتر بودن فضای خالی در کنارههای راکتور، افت فشار و ماندگی کمتر فاز مایع در راکتور مشاهده میگردد.
حیدری و هاشمآبادی 10]، [11 با بررسی رفتار یک راکتور بستر قطرهای واکنشدار و ارائه یک مدل انتقال حرارت بین فازی گاز مایع در شرایط جریانی راکتور، اثر پارامترهای عملیاتی بر هیدرودینامیک جریان و میزان تبدیل واکنش را در راکتور مورد بررسی قرار دادند. در کار آنها علاوه بر محاسبه مجدد ضرایب معادله ارگان و بهبود سینتیک واکنش سولفورزدایی بر اساس مقایسه نتایج با دادههای آزمایشگاهی، نشان داده شد که مسئله انتقال حرارت بین فازی گاز-مایع تأثیر مهمی بر پیشبینی بازده راکتور و چگونگی توزیع دما در راکتور خواهد داشت.
-3 معادلات حاکم، هندسه راکتور و روش حل
-1-3 معادلات حاکم و روش حل
به منظور شبیهسازی جریان چند فازی و برهمکنش میان فازها درون راکتور بستر قطرهای، از مدل چند فازی اولری-اولری استفاده شده است. در این مدل فاز گاز، فاز پیوسته و فازهای مایع و جامد به عنوان فازهای ناپیوسته در نظر گرفته شدهاند. همچنین به علت ثابت بودن فاز جامد - کاتالیستها - درون راکتور سرعت آن صفر در نظر گرفته شده است. با توجه به بر هم کنش ضعیف بین فازی گاز- مایع در رژیم جریان قطرهای و عدم تغییر قابل توجه توزیع کسر حجمی فاز مایع در طول راکتور، میتوان از تأثیر فشار موئینگی بر رفتار هیدرودینامیکی راکتور صرف نظر کرد .[12]
