بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت محصولات فرآیند پلی پروپیلن و گستردگی کاربرد آنها، محققین نیازمند بهینه سازی و شناخت رفتار جریان در این سیستم ها می باشند. تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی بعنوان علمی رو به رشد با استفاده از معادلات حاکم بر سیستم می تواند به این مسئله کمک شایانی نماید.
محققین در دهه اخیر تلاش هایی در جهت استفاده از شبیه سازی CFD در شناخت رفتار سیستم در این نوع از فرآیندها انجام داده اند. بعلت پیچیدگی های موجود در این نوع از فرآیندها، ساده سازی هایی جهت شبیه سازی صورت گرفته است که موجب صرف نظر کردن از بسیاری از عوامل مهم همچون وجود پره و ورودی های راکتور شده است. در این مقاله و با استفاده از مدل چندفازی مخلوط به شبیه سازی CFD راکتور لوپ مایع-جامد پرداخته شده است که نتایج حاصل از آن با نتایج تجربی موجود دارای اختلاف اندکی می باشد.
نکات برجسته پژوهش :
· شناخت جریان در راکتور فرآیند پلی پروپیلن
· بررسی عوامل موثر بر فرآیند
· یافتن مشکلات بوجودآمده توسط تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی
-1 مقدمه
پلی پروپیلن یکی از مهمترین پلیمرهای پایه است که به علت قابلیتهای بالا و قیمت پایین توجه خاصی را به خود جلب کرده است. پلی پروپیلن بی آرایش - Atactic - یک ماده لاستیکی و نرم است که ارزش تجاری کمی دارد. امکان تهیه پلی پروپیلن با ساختار تک آرایشی - Isotactic - تا زمانی که زیگلر موفق به کشف کاتالیستها شد، امکان پذیر نبود. بخش قابل توجهی از محصول تک آرایش در راکتورهای فاز مایع تولید می شود و بر طبق جدیدترین اطلاعات موجود مهمترین راکتور فاز مایع راکتور لوپ میباشد که به علت میزان تولید بالا، هزینه عملیاتی اندک، راهبری آسان و توانایی فعالیت در غلظت بالای پلیمر تولیدی مورد توجه است .[1] از سوی دیگر لزوم پیش بینی خواص محصول و راهبری راکتور ایجاد مدلهای مناسب و امکانات شبیه سازی همچون نرم افزارهای تخصصی را ضروری نموده است.
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD علم پیشبینی جریان سیال، انتقال جرم، انتقال حرارت، واکنشهای شیمیایی و پدیدههای مرتبط با آنها از طریق حل معادلات ریاضی حاکم بر این فرایندها با استفاده از یک الگوریتم عددی است. به دلیل اهمیت محصولات حاصل از فرآیند پلی پروپیلن ، بهینه سازی پارامترهای جریانی و همچنین شناخت بهتر سیستم، محققین در سال های اخیر با استفاده از نکنیک دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی این فرآیند پرداخته اند.
یان و همکارانش [2]، جهت توصیف حالت پایای جریان دوفازی جامد-مایع در یک واحد راکتور پلیمریزاسیون پروپیلن که متشکل از پمپ جریانی محوری و حلقه ای بود، از یک مدل سه بعدی دینامیک سیال محاسباتی و با استفاده از مدل دو سیالی اولری- اولری بهره گرفت. این مدل در برگیرنده، تئوری جنبشی جریان جامد بود. نتایج شبیه سازی نشان داد که در زانویی راکتور با تیغه راهنمای پشت پره، یک ناحیه سرعت بالا وجود دارد که این به دلیل اثر نیروی گریز از مرکز می باشد.
گاوو و همکارانش [4] ،با بهره جستن از روش دینامیک سیال محاسباتی به شبیهسازی جریان در راکتور پلیمریزاسیون با ابعاد آزمایشگاهی پرداختند. راکتور بررسی شده در این پروژه شامل یک پمپ در قسمت پایین لوپ میباشد. در این پژوهش محاسبات عددی دینامیک سیال به کمک ترکیبی از معادلات چند فازی اولری-اولری، معادلات کینتیک و معادلهی انرژی انجام گرفته است.
لی و همکارانش [5]، از روش دینامیک سیال محاسباتی برای بررسی دلایل تشکیل لختههای پلیمر درون لوپ پلی الفین در ابعاد صنعتی بهره بردند. در این کار از معادلهی چند فازی اولری-اولری در کنار تئوری سینتیک برای شبیهسازی جریانی لوپ فوق الذکر استفاده شده است.
با توجه به شبیه سازی های صورت گرفته فرآیند تولید پروپیلن مشاهده می شود که در این شبیه سازی ها به دلیل وجود پارامترهای متغیر زیاد و همچنین شرایط جریانی متفاوت، ساده سازی هایی در جهت حل ساده تر این سیستم ها پیاده شده است که از جمله آن می توان به حذف پره و یا ورودی های راکتور نام برد. با توجه به این مسئله در این تحقیق شبیه سازی CFD با در نظر گرفتن تمامی متغیرها انجام شده است تا به پیش بینی درست تری از جریان منجر شود.
-2 شبیه سازی CFD
فرآیند تولید پلی پروپیلن شامل یک بستر سیال دو فازی مایع- جامد بصورت لوپ می باشد. نمونه ای از این نوع از بسترها در شکل - 1 - آورده شده است. این فرآیند شامل سه ورودی می باشد که فاز مایع شامل پروپیلن و فاز جامد شامل کاتالیست به داخل بستر هدایت شده و در آنجا باهم مخلوط می شوند.
شکل:1 شماتیک فرآیند تولید پلی پروپیلن
در این شبیه سازی با توجه به حرکت فازها درون راکتور از مدل چندفازی مخلوط استفاده شده است. همچنین برهمکنش بین ذرات جامد نیز توسط تئوری سینتیک جریان دانه ای با معادلات دیگر کوپل شده است. به دلیل وجود جریان آشفته از مدل k-ε استاندارد بعنوان مدل آشفتگی استفاده شده است. و برهمکنش بین فازی توسط مدل درگ گیداسپو پیش بینی شده است . لازم به ذکر است در شبکه بندی این هندسه از شبکه نامنظم استفاده شده است و این هندسه سه بعدی شامل 3600000 شبکه محاسباتی می باشد.
-3 نتایج و تفسیر آن
در این قسمت نتایج بدست آمده از شبیه سازی CFD و پارامترهای مختلف آن مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد. در شکل - 2 - کانتور فشار حاصل از شبیه سازی نشان داده شده است.
