بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق به کمک شبیهسازی CFD اثر چیدمانهای مختلف ذرات کروی در بستر ثابت بر مقدار عدد ناسلت دیواره مورد بررسی قرار گرفته است. با حل معادلات ممنتوم، انرژی و با استفاده از مدل جریان مغشوش RNG k- برای سه بستر کاتالیستی با چیدمانهای مختلف ذرات نشان داه شد که در رینولدز ثابت بستری که چیدمان ذرات نامنظم تر است، افت فشار و مقدار عدد ناسلت دیواره نسبت به سایر بسترها که چیدمان ذرات منظم تری دارند بیشتر است. همچنین با بررسی اثر عدد رینولدز در یک چیدمان ذرات بستر نشان داده شده که با افزایش عدد رینولدز میزان افت فشار بستر و همچنین میزان عدد ناسلت دیواره افزایش پیدا می کنند.
-1 مقدمه
راکتورهای بستر ثابت از جمله راکتورهای پرکاربرد در صنایع مختلف شیمیایی، پتروشیمی، نفت و بیولوژیک میباشند. شناخت رفتار جریان، نحوه انجام واکنش و چگونگی انتقال حرارت در این دسته از راکتورها کمک قابل توجهی به طراحی دقیق و افزایش بازدهی راکتورهای بستر ثابت میکند. امروزه ابزار CFD به عنوان روشی قدرتمند میتواند به بسیاری از مسائل مورد نظر محققین در مورد چگونگی عملکرد این نوع از راکتورها پاسخ دهد. یکی از مباحث مورد توجه در راکتورهای بستر ثابت مسئله تاثیر پارامترها و شرایط عملیاتی مختلف بر میزان انتقال حرارت از دیواره راکتور به سیال داخل راکتور است. با توجه به اهمیت این موضوع، در این تحقیق سعی شده است به کمک ابزار CFD اثر چیدمان ذرات 3 - چیدمان مختلف - و عدد رینولدز جریان بر روی ناسلت دیواره بستر کاتالیستی مورد بررسی قرار گیرد.
-2 مروری بر منابع
مطالعه در مورد شبیه سازی راکتورهای بستر ثابت را میتوان به دو دسته کلی راکتورهای بستر ثابت دوفازی شامل یک فاز سیال و یک فاز مایع و یا راکتورهای بستر ثابت سه فازی شامل یک فاز جامد و دو فاز سیال طبقهبندی کرد. در این بخش از مقاله به برخی از تحقیقات انجام شده در زمینه شبیه سازی CFD راکتورهای بستر ثابت دو فازی گاز-جامد پرداخته خواهد شد. در سالهای اخیر شبیه سازی CFD رفتار هیدرودینامیک راکتورهای بستر ثابت توسط محققین مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است
بخشی از این تحقیقات متمرکز بر مسئله انتقال حرارت در راکتورها بستر ثابت است. از جمله تحقیقات انجام شده در این زمینه میتوان به پژوهش سیمون و لتنبرگ [7] اشاره کرد. آن ها به کمک شبیه سازی CFD مسئله انتقال حرارت از دیواره به یک بستر شامل 8 ذره کروی با چیدمان منظم را مورد مطالعه قرار دادند. هدف اصلی در کار آن ها محاسبه ناسلت دیواره و میزان انتقال حرارت موثر شعاعی در مقادیر مختلف عدد رینولدز بود. مقایسه نتایج آنها با دادههای آزمایشگاهی نشان دهنده توافق خوب نتایج آزمایشگاهی و CFD بود.
نایجمایسلند و دیکسون [8] به کمک شبیهسازی CFD مسئله انتقال حرارت از دیواره به سیال را در راکتور بستر ثابت مورد مطالعه قرار دادند و اثر میدان محلی جریان بر شار انتقال حرارت را بررسی کردند. در کار آنها ذرات کروی درون دامنه محاسباتی با چیدمان منظم قرار گرفته است و دیواره در دمای ثابت قرار داشت. نتایج بررسیها نشان داد که تلاش برای ارائه یک رابطه بین اندازه سرعت، گرادیانهای سرعت و رفتار گردابی جریان و میزان انتقال حرارت محلی به علت ماهیت پیچیده میدان سرعت ممکن نمیباشد.
گوارد و همکاران [9] با شبیهسازی CFD یک راکتور بستر ثابت مسئله انتقال حرارت از ذرات کروی شکل به سیال داخل راکتور را مورد بررسی قرار دادند. آنها در کار خود مسئله انتقال حرارت آزاد و اجباری از میان ذرات کروی بستر کاتالیستی را مورد بررسی کردند. با مقایسه نتایج مقدار عدد ناسلت - Nu - در شبیهسازی CFD با روابط ارائه شده نشان داده شد که نتایج عددی توافق بسیار مناسبی با روابط تجربی موجود دارند. آنها همچنین نشان دادند که جهت جریان درون بستر بر میزان انتقال حرارت تاثیر دارد به طوری که اگر جهت جریان از پایین به بالا باشد میزان انتقال حرارت افزایش پیدا می کند.
دیکسون و همکاران [10] به بررسی انتقال حرارت در یک راکتور بستر ثابت نیمه صنعتی شامل هزار ذره کروی پرداختند. در کار آنها نتایج CFD توزیع شعاعی دما در محدوده وسیعی از اعداد رینولدز مورد بررسی و اعتبارسنجی قرار گرفت. همچنین نشان داده شد مقدار عدد رینولدز و نسبت قطر بستر به قطر ذره در این که توزیع شعاعی دما تحت تاثیر انتقال حرارت جابجایی یا هدایت حرارت شعاعی قرار بگیرد تاثیر دارند. همچنین در کار آنها مسئله تاثیر تماس ذرات با یکدیگر و با دیواره و تاثیر آن بر انتقال حرارت شعاعی در بستر مورد بررسی قرار گرفت.
دنگ و همکاران [11] به کمک شبیه سازی CFD-DEM با ایجاد چیدمان ذرات استوانهای تو خالی و استوانهای درون یک بستر آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج کار آنها نشان دهنده این مسئله است که استفاده از روش DEM میتواند به خوبی نحوه توزیع ذرات را در مدل CFD بیان کرده و نتایج قابل قبولی از رفتار هیدرودینامیکی و انتقال حرارت در راکتورهای بستر ثابت حاصل شود.
با توجه به اهمیت انتقال حرارت دیواره به سیال در راکتورهای بستر ثابت، در کار حاضر با ایجاد چیدمانهای مختلف از ذرات کروی درون یک راکتور بستر ثابت مسئله انتقال حرارت از دیواره راکتور به سیال درون راکتور در شرایط عملیاتی مختلف مورد بررسی قرار گرفته و تأثیر پارامترهای مورد بررسی بر روی عدد ناسلت دیواره ارائه شده است.
-3 معادلات حاکم، هندسه راکتور و روش حل
-1-3 هندسه راکتور و شرایط مرزی
در این تحقیق به منظور شبیهسازی اثر حضور کاتالیستها درون بستر، از 3 نوع چیدمان منظم کاتالیستهای کروی با قطر 3 mm استفاده شده است. در شکل - 1 - ابعاد راکتور و نحوه چیدمان ذرات ارائه شده است. در بستر شماره 1 ذرات کروی بر روی یکدیگر قرار گرفته و چیدمان کاملاً منظم در طول بستر دارند. در بستر شماره 2 فقط لایه های شماره فرد ذرات نسبت به لایه اول 45 درجه حول محور راکتور دوران دارند و در بستر شماره 3 نیز لایههای شماره فرد به میزان 90 درجه نسبت به لایه اول حول محور راکتور دوران کردهاند. در همه بسترهای مورد بررسی 260 کاتالیست کروی قرار دارد. در این مقاله سیال گذرنده از بین کاتالیستها هوا انتخاب شده و از اثر تراکمپذیری هوا به علت افت فشار پایین در شرایط عملیاتی مورد بررسی صرف نظر شده است. همچنین دمای هوای ورودی 300 K و دمای دیواره 320 K تعیین شده است.
