بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه به منظور طراحی همزن مکانیکی برای راکتور بیوگاز و شبیهسازی الگوی جریان از دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شد. زمان اختلاط، الگوی جریان و عدد توان یک راکتور به طراحی همزن و نوع پروانهی آن بستگی دارد. به عبارت دیگر، کارایی پروانه غالباً از طریق این پارامترها ارزیابی میگردد. که در این مطالعه از بررسی الگوی جریان استفاده شده است.
برای بررسی طراحی بهینه نوع پروانه، یک همزن توربینی شش تیغهای با زاویه 45 درجه طراحی و ارزیابی شد. شبیهسازی با رویکرد مدل قاب چرخان MRF - - ، مدل آشفتگی استاندارد k- به صورت پایا، سه بعدی و توسط نرمافزار Fluent 15.0 انجام گرفت. معادلات حاکم به روش حجم محدود برای تمام دامنه محاسباتی سیستم حل گردید و برای شبیهسازی رفتار همزن در راکتور نیز از مدل قاب چرخان استفاده شد.
هدف اصلی این تحقیق طراحی بهینه همزن مکانیکی برای اختلاط مناسب و کاهش فضاهای مرده در راکتور مورد نظر می باشد. نتایج شبیهسازی نشان داد، همزن توربینی شش تیغه ای با زاویه 45 درجه با جریان پایینرونده سبب افزایش اختلاط در کف راکتور و شدت اختلاط مناسب مواد داخل راکتور میشود. همچنین نتایج نشان داد که این نوع همزن اختلاط مناسبی در مرکز راکتور و دیواره های جانبی آن ایجاد میکند و در نتیجه باعث کاهش فضای مرده و بهبود انتقال جرم و حرارت داخل راکتور خواهد شد.
مقدمه
اختلاط عامل مهمی در میزان تولید گاز در راکتورهای بیوگاز است، کهمعمولاً از طریق همزن مکانیکی و یا چرخش محتوای داخل راکتور بیوگاز انجام میشود. راههای مختلفی برای انجام عملیات اختلاط در راکتورهای بیوگاز وجود دارد. اختلاط مکانیکی، اسپارجرها و جتها معمولاً برای مقاصد همزنی استفاده میشوند. به سبب تنوع فرآیندها و اهداف مختلف آنها تعدادی زیادی از هندسه همزنهای مختلف توسعه یافتهاند. اما اختلاط مکانیکی یکی از کارآمدترین و کم هزینهترین روشهای اختلاط میباشد
اگر چه اهمیت اختلاط برای دستیابی به عملکرد بهینه فرآیند و تولید بیوگاز به خوبی شناخته شده است، اما هیچ توافق واضحی نسبت به اینکه یک رژیم اختلاط بهینه وجود دارد نیست. اختلاط و تماس داخل راکتور میتواند به صورت پیوسته و متناوب انجام شود. اختلاط مطلوب برای به حداقل رساندن سرمایه گذاری و هزینه های عملیاتی، بازدهی بالا هنگامی که انتقال جرم محدود است و در نتیجه افزایش سودآوری مهم است. فرایند همزدن با همزنهای مکانیکی در هر دو رژیم جریان آرام و یا آشفته بسته به عدد رینولدز پروانه رخ می دهد.
مکانیسم اصلی اختلاط شامل حرکت فیزیکی مواد بین بخشهای مختلف از کل توده با استفاده از چرخش پروانه میباشد. موفقیت بعضی از مراحل فرآیند همزدن بستگی به چگونگی بهمزدن و مخلوط کردن سیال دارد. مخلوط کردن عبارتست از بهمزدن یک و یا چند ماده غیر مشابه جهت بدست آوردن یکنواختی - uniformity - چه از نظر فیزیکی و چه از نظر شیمیایی. نظر بهاین اینکه نفوذپذیری در داخل مایع خیلی پایین است در نتیجه مخلوط کردن مایع اصولاً همراه با بهمزدن مایع در داخل تانک صورت میگیرد.
طراحی بهینه همزن و بازده عملیات اختلاط پارامترهای مهم در کیفیت تولید و هزینههای تولید میباشند. الگوی جریان در مخازن همزندار پدیدهای پیچیده است، که در ناحیه اطراف پروانه جریان آشفته و چرخشی وجود دارد. در سالهای اخیر به طور فزایندهای تکنیکهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به عنوان جایگزینی برای آزمایشات تجربی و یافتن میدانهای جریان و همچنین یافتن الگوی جریان بهینه، هندسه پروانه و تانک استفاده میشود
راکتورهای همزندار مکانیکی به طور گسترده در صنایعی که با سیستمهای چند فازی سر و کار دارند، استفاده میشود. موارد متعددی از کاربردهای صنعتی این راکتورها گزارش شده است . - Nigam and Schumpe, 1996 - اگر چه مطالعات زیادی در مورد استراتژی اختلاط در هاضم های بی هوازی انجام شده است، اما هنوز یک تصویر واضح و روشن در مورد اثرات اختلاط در هضم بی هوازی از کود حیوانی وجود ندارد. بنابراین، سیستم های همزنی هنوز هم یکی از اجزای مهم نیروگاههای بیوگاز هستند
شیرمحمدپور و همکاران در سال 1389 اختلاط در یک راکتور صنعتی چند پروانه ای مجهز به سه پروانهی دریایی را با استفاده از تکنیک مدلسازی دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - بررسی کردند. رفتار هیدرودینامیک یک مخزن همزندار دارای همزن منحنی شکل را مطالعه کردند. آنها نشان دادند که استفاده از شبیه سازی - CFD - میتوان سرعتهای شعاعی و محوری را به خوبی پیشبینی کرد . - Li et al., 2004 - پیکربندیهای مختلف جریان در راکتور همزندار گاز- مایع که دو همزن راشتون در آن تعبیه شده بود را در شرایط عملیاتی مختلف مطالعه کردند . - Ahmed et al., 2010 - نشان دادند که نوع و سرعت گردش پروانه تأثیر معنیداری بر الگوی جریان دارد، بنابراین پروانه بهینه را برای تولید بیوهیدروژن پیشنهاد دادند.
مقایسه نتایج شبیهسازی با فرایند آزمایشگاهی به طور واضحی نشان دادکه پروانه بهینهسازی شده میتواند توزیع سرعت بهتری را در راکتور با سرعت کمتر تولید کند . - Ding et al., 2010 - در مدلسازی مخازن همزندار پارامترهای زیادی تأثیر گذار هستند که مهمترین آنها عبارتند از تراکم مناسب مشبندی، روشهای جداسازی ، مدل چرخش پره و در نهایت مدل آشفتگی جریان سیال.
اثر اختلاط روی هضم بی هوازی از کود حیوانی در مقیاس آزمایشگاهی و مقیاس پایلوت در دمای 55 درجه سلسیوس مورد بررسی قرار گرفت. که اثر سه حالت اختلاط پیوسته، متناوب و کمینه را بررسی کردند و دریافتند که حالت و شدت اختلاط روی هضم بیهوازی کود حیوانی تأثیر دارد. نتایج مطالعات در مقیاس پایلوت نشان از افزایش 7 درصدی عملکرد بیوگاز در اختلاط متناوب نسبت به حالت پیوسته دارد
دریک راکتور به حجم 1,5 متر مکعب با خوارک کود گاو شیری اثر اختلاط هیدرولیکی پیوسته و متناوب در دمای کنترل شده 37 درجه و زمان ماند 10 و 20 روز روی عملکرد تولید بیوگاز بررسی شد. نتایج نشان داد که در زمان ماند 10 روز نرخ جریان برگشتی تأثیر کمی روی تولید بیوگاز دارد و جریان برگشتی پیوسته باعث بهبود عملکرد راکتور نشد. در زمان ماند 20 روز نرخ جریان برگشتی تأثیری روی عملکرد راکتور نداشت
از دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی حالتهای مختلف اختلاط و توان مصرفی در هاضمهای تک هضمی و هضم ترکیبی استفاده کردند. از کود گاوی و ذرت علوفهای به عنوان خوارک و راکتور همزده به عنوان هاضم استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل استاندارد k- نسبت به مدلهای آشفتگی دیگر مناسبتر است. شاخص جدید تولید توان خالص بهجای تولید گاز برای بهینهسازی نسبت خوارک برای هضم ترکیبی بیهوازی پیشنهاد شد
مواد و روشها
در مخازن همزندار، وجود همزن زمانی بیشتر احساس میشود که در آن هدف ایجاد محیطی همگن باشد. سطح همگنی، میزان کاهش اندازه ذرات ، میزان نامحلول بودن جامد و سطح انتقال جرم پارامترهایی است که هنگام طراحی همزن باید مورد توجه قرار گیرد. همزنی مؤثر سیالات برای اختلاط و حرکت، نیازمند تحلیل مفصلی از ظرفیت، لزجت و پاسخ دینامیکی برای سیال است، بهطوری که با در دست داشتن آن توان، سرعت شفت همزن و اندازه پره متناظر با شرایط فوق را میتوان به دست آورد.
طراحی سیستم پره
برای انتخاب همزن های توربینی، باید سیستم پره به طور صحیح طراحی شود. این طراحی شامل نوع توربین، تعداد توربین، موقیعت مکانی در مجموعه و قطر پره میباشد. برای اختلاط و حرکت معمولاً از توربین تیغهای شیبدار استفاده میشود.
به منظور طراحی پروانه از نرم افزار solidworks 2016 استفاده شده است. ابتدا هندسه پروانه در محیط این نرمافزار رسم و تحلیلها براساس آن انجام شد. همانطور که در شکل زیر مشاهده میشود، در این همزنها از پرههای تخت با زاویه حدود 45 درجه استفاده شده است، که جریانی بین محوری و شعاعی ایجاد میکند. این کار باعث افزایش همزدگی و نیز افزایش انتقال جرم و حرارت میشود.
همچنین این طراحی پرهها به گونهای است که تنش برشی کمی به سیال وارد شده و باعث از بین رفتن باکتریهای داخل راکتور نمیشود. پرههای شیبدار بیشتر برای اختلاط در راکتورهای زیستی که حساس به تنش برشی هستند به کار میروند. این همزنها غبالً در راکتورهای غیر مداوم استفاده میشوند. اما میتوان از آنها در راکتورهای مداوم نیز استفاده کرد
