بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - براي شبیه سازي راکتور پلیمریزاسیون فاز گازي اتیلن با دیدگاه اولري همراه با روابط تئوري سینتیک جریان دانه اي. روش حجم محدود در یک سیستم دو بعدي براي حل معادلات استفاده شده است. این کد CFD امکان بررسی رشد ذرات و پیش بینی توزیع اندازه ذرات - PSD - از طریق حل معادله موازنه جمعیت به همراه معادلات مومنتوم، جرم و انرژي را داراست.
معتبرسازي نتایج از طریق مقایسه افت فشار پیش بینی شده از شبیه سازي با افت فشار تجربی گزارش شده در منابع علمی صورت گرفته است. معادله موازنه جمعیت با روش گسسته حل شده که توزیع اندازه ذرات - PSD - در هر زمان در بستر را می دهد.
بمنظور بررسی روند رشد، شش دسته از ذرات با اندازه هاي مختلف تعریف و معادله موازنه جمعیت با روش گسسته براي آنها حل شده و رشد ذرات با زمان گزارش شده است. نتایج شبیه سازي نشان داد که ذرات با اندازه کمتر از 600 µm که در ابتداي شبیه سازي بیش از 90٪ ذرات را شامل می شود در انتها به کمتر از 25٪ میرسد. منحنی توزیع اندازه ذرات پلیاتیلن در بستر براي شش دسته ذره با اندازه هاي مختلف از 100 µm تا 1200 µm در زمانهاي 10،5 و 15 ثانیه ارائه شده است.
-1 مقدمه
معادله موازنه جمعیت - PBE - یک نوع معادله پیوستگی است که بر حسب مختصات داخلی نوشته شده و بصورت یک کمیت اسکالر - مثلاً طول یا حجم ذره - یا یک آرایه - مثلاً سطح مقطع و یا حجم ذره - بیان می شود. حل معادله PBE در سیستمهاي ذرهاي مستلزم بیان دقیق دینامیک سیال، برهمکنشهاي میان فازها و واکنشهاي شیمیایی میباشد.
حل معادله PBE همراه با کدهاي CFD یک موضوع جالب و در عین حال مشکل است و در سالهاي اخیر توجه بسیاري از محققین را به خود جلب کرده است .[1] توزیع اندازه ذرات - - PSD تاثیر مهمی در رفتار سیستمهاي گاز جامد دارد. محققین زیادي تاثیر PSD بر هیدرو دینامیک بستر سیال را مطالعه کرداند. ون واچم و همکارانش[2] مدلی براي بسترهاي سیال گاز جامد حاوي دو دسته ذره توسعه داده اند و تاثیر آن بر هیدرودینامیک بستر را بررسی کردهاند.
یونگ کیم و همکارانش[3] یک مدل موازنه جمعیت چند قسمتی براي پیشبینی پدیده تفکیک1، توزیع اندازه ذرات و بررسی تاثیر شرایط عملیاتی بستر بر توزیع اندازه ذرات در راکتور پلیمریزاسیون الفینها ارائه کردهاند.
یانولاکیس2 و همکارانش[4] یک معادله موازنه جمعیت حالت پایا براي پیشبینی توزیع اندازه ذرات در شرایط کلوخهاي شدن ذرات بهمراه مدل جریان پلیمري - - PEM براي محاسبه نرخ رشد استفاده کردهاند و نتیجه گرفتند که محدودیتهاي انتقال جرم و حرارت تاثیر زیادي بر PSD بستر دارد.
هاتزانتویس3 و همکارانش[5] با در نظر گرفتن پدیدههاي رشد و کلوخهاي شدن ذرات، مدلی براي پیشبینی PSD در راکتور بستر سیال در شرایط پایا ارائه کرده و نشان دادهاند که کلوخهاي شدن ذرات تاثیر زیادي بر دماي بستر دارد.
کیپاریسیدیس[6]1چالشهاي موجود در مدلسازي و بهینهسازي راکتور پلیمریزاسیون را از منظر موازنه جمعیت بررسی کرده و توزیع زنجیر پلیمري و ذرات پلیمر را بدست آورده است.
در راکتور پلیمریزاسیون بستر سیال اتیلن در فاز گازي ذرات ریز کاتالیست - 20-800 µm - بصورت پیوسته وارد راکتور میشود و با گاز منومر ورودي واکنش می دهد و منجر به تشکیل ذرات پلیاتیلن در یک گستره وسیعی از توزیع اندازه ذرات - 100-5000 µm - می گردد.
در مراحل اولیه پلیمریزاسیون، کاتالیست به تعداد زیادي ذرات بسیار ریز شکسته شده و متعاقب آن توسط فاز پلیمر در حال رشد احاطه می شوند. در حین ماندن آنها در بستر اندازه ذرات پلیمر در اثر پلیمریزاسیون رشد کرده و می توانند همراه گاز سیال کننده، خارج و یا در صورتی که دماي عملیاتی راکتور نزدیک به دماي نقطه نرم شدن پلیمر باشد، بهم بچسبند. این پدیدهها میتواند تاثیر زیادي بر توزیع اندازه ذرات و توزیع وزن مولکولی - - MWD در راکتور بستر سیال داشته باشد.
به علت اختلاف در اندازه ذرات پلیمر، تفکیک ذرات در بستر اتفاق میافتد. ذرات پلیمر کاملاً رشد کرده به سمت پایین رفته و از قسمت پایین راکتور خارج میشوند. از آنجائیکه واکنش پلیمریزاسیون اتیلن یک واکنش فوقالعاده گرمازا با گرماي پلیمریزاسیون 100-110 KJ/mol میباشد، شدت تولید حرارت در داخل ذره پلیمر بسیار زیاد است. در صورتیکه دماي واکنش شروع به بالا رفتن کند و به دماي نقطه ذوب پلیمر نزدیک شود، ذرات پلیمر در حین برخورد به همدیگر خواهند چسبید و تشکیل یک توده بزرگ داده و ممکن است موجب غیر سیالسازي راکتور گردند. بنابراین کنترل انتقال حرارت و دما در سطح ذره، در راکتور پلیمریزاسیون فاز گازي پلیاتیلن بسیار حائز اهمیت است.
مدلسازي تفصیلی این نوع راکتورها خیلی پیچیده و شامل طراحی راکتور، جریانهاي چند فازي پیچیده، انتقال جرم بین فازي، برهمکنشهاي ذره- ذره و ذره - دیوار راکتور، انتقال جرم و حرارت در داخل ذره و پدیدههاي در مقیاس مولکولی مثل شیمی و سینتیک پلیمریزاسیون، سایتهاي فعال کاتالیست و کریستالیزاسیون پلیمر است
