بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق فرآیند کریستالیزاسیون نیترات پتاسیم در کریستالایزر پیوسته همزندار توسط روش دینامیک سیالاتی محاسباتی - CFD - به همراه معادله موازنه جمعیت درون یک مخزن همزندار شبیهسازي شده است. به منظور حل معادله موازنه جمعیت و محاسبه توزیع دانه بندي ذرات درون کریستالایزر از روش Quadrature Method of Moments - QMOM - در سیستم استفاده گردیده است.
معادله موازنه جمعیت همراه با معادله مومنتوم، معادله اغتشاش RNG-k-ε و مدل چند فازي Eulerian در شرایط پایا و در فضاي سه بعدي توسط نرمافزار Fluent 6.3 حل شده اند. نتایج نشان دهنده توانایی مدلهاي استفاده شده در پیش بینی فرآیند کریستالیزاسیون، شامل رشد و هسته زایی و رفتار توزیع ذرات کریستال در نواحی مختلف کریستالایزر بر اساس خواص جریان درون مخزن میباشد.
-1مقدمه:
کریستالایزرهاي پیوسته همزندار از جمله تجهیزات فرآیندي میباشند که به علت ساختار ساده و هزینه عملیاتی پایین نگهداري و بازدهی مناسب در خالص سازي و جداسازي مواد، به طور خاصی مورد توجه محققین و صنعت میباشند
از جمله کاربردهاي این کریستالایزرها میتوان به کاربرد آن در فرآیندهایی همچون تولید داروها، تولید مواد پروتئینی خاص و صنایع شیمیایی اشاره کرد. در کریستالایزرها طی فرآیند کریستالیزاسیون به علت وجود فوق اشباعیت ایجاد شده درون کریستالایزر توسط کاهش دما، تبخیر و یا جریان فوق اشباع ورودي به سیستم، فاز جامد حل شده در محلول به صورت کریستالهایی درون سیستم ظاهر شده و با گذشت زمان شروع به رشد مینمایند.
با توجه به نوع فرآیند، پیوسته یا ناپیوسته، کریستالها پس از طی زمان اقامت مورد نظر از سیستم خارج شده و پس از شستشو و یا خشک کردن مورد استفاده قرار میگیرند.[2] محصول بدست آمده در فرآیند کریستالیزاسیون مجموعهاي از کریستالها با توزیع دانه بندي - CSD - 13 مختلف میباشد. از دیدگاه صنعتی این توزیع ذرات میبایستی داراي طول مشخصی باشد تا محصول حاصل داراي کیفیت فیزیکی و همچنین شکل ظاهري مناسبی گردد.
مطالعات در زمینه مدلسازي عددي کریستالایزرها به علت پیچیدگی ساختار معادله موازنه جمعیت14 که به علت وجود جملات دیفرانسیلی-انتگرالی در این معادله میباشد، سبب شدهاست تا بیشتر تحقیقات انجام شده در این زمینه بر حل معادله موازنه جمعیت متمرکز باشد و با در نظر گرفتن فرضهاي ساده کننده اثر رژیم جریان در رفتار معادله موازنه جمعیت در نظر گرفته نشود.
از این جهت روشهاي متعددي در زمینه حل معادله موازنه جمعیت توسعه یافتهاست که هریک وابسته به میزان دقت و نیاز فرآیند ارائه کننده رفتار خاصی از ویژگیها و توزیع دانهبندي ذرات میباشد. از جمله این روش ها میتوان به روش مومنت[3] 15، روش [4] 16QMOM، روش گسسته[5] 17 و روشهاي مستقیم عددي اشاره نمود. از میان این روشها، روشهاي مستقیم عددي و روش گسسته توزیع دانهبندي ذرات را به طور مستقیم ارائه مینمایند.
این روشها را می توان بهترین نوع معادلات در حل مسائل موازنه جمعیت دانست. مشکل اصلی در حل این دسته از روشها زمان محاسباتی بالا و همچنین تمایل حل به واگرایی میباشد. همچنین میزان مشبندي در روشهاي مستقیم عددي و تعداد بین18ها در روش گسسته تاثیر شدیدي در کیفیت توزیع دانهبندي ذرات در این روشها به همراه خواهد داشت. در مقابل روشهاي مومنت و روش QMOM با تبدیل معادلات دیفرانسیلی-انتگرالی به دستگاه معادلات معمولی سرعت حل و همگرایی را به طور قابل توجهی افزایش میدهند. مشکل اصلی در این دو روش عدم ارائه مستقیم توزیع دانهبندي ذرات میباشد که این مسئله با ارائه توابع توزیع بر اساس مقادیر مونتها برطرف شده است
در سالهاي اخیر با ارائه نرم افزارهاي مختلف و افزایش توان محاسباتی سیستمهاي کامپیوتري، استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی CFD19 همراه با معادلات موازنه جمعیت به منظور بررسی فرآیندهاي کریستالیزاسیون و رسوبگذاري20 افزایش یافته است. نخستین شبیهسازي موفق در زمینه فرآیندهاي کریستالیزاسیون در مخزنهاي همزندار را می توان در تحقیقات وِي[7] 21 در سال 1997 دانست. در سالهاي بعد وِي و گارساید [8] به بررسی جامعتري در این زمینه پرداختند و فرآیندهاي مختلف کریستالیزاسیون را مورد بررسی قرار دادهاند.
روسیاکس و همکارانش [9] از نرم افزار Fluent 4.5 در شبیهسازي فرآیندهاي کریستالیزاسیون توسط روش مومنت استفاده کردهاند. نتایج آنها نشاندهنده توانایی این نرم افزار در شبیهسازي فرآیندهاي کریستالیزاسیون میباشد.
مارچیسیو و همکارانش [10] در بررسیهاي خود نشان دادهاند که دقت مدل در شبیهسازي فرآیندهاي کریستالیزاسیون به طور شدیدي وابسته به کیفیت شبیهسازي CFD میدان جریان میباشد.
جاورسکی و نینو [11] فرآیند کریستالیزاسیون سولفات باریم در مخزن همزندار را توسط نرم افزار Fluent 4.2 مورد بررسی قرار داده اند. آنها در کار خود به بررسی اثر زمان اقامت در توزیع دانهبندي ذرات پرداختهاند.
