بخشی از مقاله
چکیده
ذرات جامد معلق موجود در گاز طبیعی باعث خوردگی، ایجاد ساییدگی و بروز بسیاری مشکلات اساسی در سیستم انتقال و توزیع گاز طبیعی می - شوند. اندازهگیریهای انجامگرفته در شبکه توزیع گاز شهر کرمان، غلظت بالای پودر سیاه را نشان داد و مشخص کرد که سیستم فیلتراسیون فعلی کارایی لازم برای حذف ذرات جامد را ندارد . از اینرو با توجه به اندازه ذرات پودر سیاه برای جداسازی آنها استفاده از سیکلون های جداکننده،قبل از سیستم فیلتراسیون پیشنهاد شد . در این مطالعه، سیکلون های مورد نیاز برای جداسازی پودر سیاه از گاز طبیعی برای ایستگاه CGS شماره 1شهر کرمان، طراحی شده و سپس با در نظر گرفتن توزیع اندازه ذرات به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، شبیه سازی و کارایی آنها در شرایط مختلف بررسی شدهاست. بهعلت وجود جریان چرخشی درون سیکلون، برای مدلسازی جریان آشفته از مدل رینولدز استرس و برای ذرات جامد از مدل لاگرانژین فاز پراکنده استفاده شدهاست. برای این جداسازی، سیکلون استایرمند با راندمان بالا انتخاب شده است.
بهمنظور افزایش راندمان این نوع سیکلون و جلوگیری از خروج مستقیم ذرات به محض ورود به داخل سیکلون، طول داخلی گردابهیاب با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه شد . براساس دبی گاز ورودی و قطر برشی، سیکلون مورد نیاز طراحی و تعداد آنها محاسبه شدهاست. سیکلون در فشاری معادل با 1000 psi، دمای 20 درجه سانتیگراد و حداکثر ظرفیت ایستگاه CGS شماره 1 طراحی شدهاست. در طراحی سیکلون سعیشدهاست که استانداردهای انجمن مهندسین مکانیک آمریکا برای مخازن تحت فشار رعایت شود . قطر داخلی سیکلون طراحی شده برابربا 55 سانتیمتر بوده، که درون پوسته ای با قطر داخلی برابربا 81/5 سانتیمتر قرار می گیرد. مخزن جمعآوری ذرات به صورت عمودی در انتهای س یکلون نصب می شود. برای اعتبارسنجی شبیه سازی انجامشده از روش همگرایی شبکه استفادهشدهاست .
واژگان کلیدی: پودر سیاه، سیکلون جداکننده، الگوریتم ژنتیک، دینامیک سیالات محاسباتی، روش همگرایی شبکه
.1 مقدمه
سیکلونهای گازی جداکننده به صورت گستردهای در صنایع برای جداسازی ذرات جامد از گاز و یا خالص سازی محصول استفاده میشوند. علت آن را میتوان طراحی ساده، صرفهجویی در مصرف انرژی، هزینه های پایین ساخت و نگهداری و انعطاف پذیری با شرایط عملیاتی بیان کرد . اما برخلاف ظاهر ساده آنها، جریان درون سیکلون ها بسیار پیچیده میباشد و کارایی آنها نسبت به هر تغییری در ظاهر و یا شرایط عملیاتی بسیار حساس است . در سالهای اخیر تلاشهای زیادی جهت بهبود عملکرد سیکلون با تغییر هندسه بخش های مختلف سیکلون صورت گرفته است . پارامترهای اصلی کارایی سیکلون جداکننده، بازده جمعآوری و افت فشار میباشد.
با توجه به هیدرودینامیک پیچیده سیکلون ها، یک مدل ریاضی موثر برای مطالعه و پیش بینی رفتار جریان و طراحی هندسههای مختلف سیکلون نیاز است. ثابت شده که دینامیک سیالات محاسباتی یک ابزار امیدوارکننده برای بررسی ویژگیهای سیکلون میباشد.[1]تاکنون شبیهسازیهای زیادی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی در زمینه سیکلون ها صورت گرفتهاست.[2] اولین نتایج بهدست آمده در مدلسازی سیکلونهای گازی توسط بویسان1F2 و همکارانش در سال 1982 ارائه شد.[3] آنها با این فرض که جریان داخل سیکلون نسبت به محور سیکلون دارای تقارن میباشد، یک هندسه دوبعدی را با استفاده از مدل تنش های جبری برای محاسبه شش مؤلفه تنش رینولدز استفاده نمودند که با توجه به ورودی نامتقارن سیکلون و ناهمسانگردیهای موجود در هسته جریان، این فرض از اعتبار پایینی برخوردار بود .
بویسان دریافت که مدل k- استاندارد برایشبیهسازی جریان چرخشی مناسب نمی باشد، زیرا منجر به ویسکوزیته توربولانسی شدید و سرعت مماسی غیر واقعی خواهد شد.[3] گیمبوناF3 2 و
همکارانش - [4] - 2005 تاثیر اندازه قطر قسمت خروجی ذرات بر راندمان جمع آوری را به کمک دینامیک سیالات محاسباتی مورد مطالعه قرار دادند و3و همکارانش [5] - 2006 - ، به بررسی اثر تغییر زاویه نتیجه گرفتند که کاهش قطر سبب افزایش راندمان و نیز افزایش افت فشار خواهد شد. برناردو 4F ورودی جریان نسبت به بدنه سیکلون بر راندمان جمعآوری پرداختند و نشان دادند که افزایش این زاویه باعث افزایش راندمان میشود، بالاترین راندمان را در زاویه 45 درجه به دست آوردند. خیری السید4F5 و همکارانش [6] - 2010 - با کمی تغییر در ابعاد مدل استایرمند، این مدل را اصلاح کرده و سیکلون جدیدی را طراحی کردند. آنها نشان دادند که افت فشار در سیکلون جدید نسبت به سیکلون استایرمند بسیارکمتر است، تقریباً برابر با نصف افت فشار در سیکلون استایرمند میباشد.
تاکنون تلاشهای زیادی جهت بهینه سازی کارایی سیکلون ها صورت گرفتهاست. هدف از بهینه کردن کارایی سیکلون حداکثرساختن راندمان جمع - آوری و به حداقل رساندن افتفشار در آن میباشد. سوامی5F6 و همکارانش - [7] - 2009 اندازه قطر بدنهی سیکلون و قطر لوله گردابهیاب را برای مجموعه-ای از سیکلونهای موازی بهینه کردند، در حالیکه مقدار مشخصی جریان گاز از ذرات جامد جدا میشد و قطر برشی - قطر ذرهای که راندمان جداسازی سیکلون برای آن 50 درصد است - آنها نیز مشخص بود. آنها برای محاسبه افت فشار از مدل استایرمند و برای محاسبه قطر برشی از مدل جرارد و لیدل 6F7 استفاده کردند.
صفیخانی وهمکارانش - [8] - 2011 یک بهینهسازی چند هدف را بر روی سیکلونها انجام دادند. ابتدا آنها برای به دستآوردن میزان افتفشار و قطر-برشی، جریان درون تعداد زیادی سیکلون را شبیه سازی کرده و سپس برای محاسبه ی مقادیر تابع هدف از روش شبکه های عصبی مصنوعی7F8 استفاده-کردند. در نهایت بهکمک الگوریتم ژنتیک چند هدفه توانستند کارایی سیکلون را بهینه سازند. خیریالسید و همکارانش - [9] - 2012 برای پیشبینی رابطه پیچیده غیرخطی بین پارامترهای کارایی سیکلون - افتفشار و قطربرشی - و ابعاد هندسی آن از شبکه عصبی مصنوعی استفاده کرده و به کمک الگوریتم ژنتیک ابعاد سیکلون استایرمند را تغییر داده و توانستند ابعادی بهینه برای سیکلون ارائه دهند .
آنها به کمک دینامیک سیالات محاسباتی نشا ن دادند که میزان افت فشار در سیکلون جدید نسبت به سیکلون استایرمند کمتر و راندمان جمع آوری آن نیز بیشتر است . به عبارتدیگر، سیکلون بهینه شده ازکارایی بالاتری برخوردار است. وجود ذرات جامد موجود در گاز طبیعی، باعث ایجاد اختلال در شبکه توزیع و انتقال آن میشود. در تحقیقی که در سال 2012 توسط آزادی وهمکاران انجام گرفت، میزان ذرات جامد معلق در شبکه توزیع و انتقال شهر کرمان بررسی شد .[10] غلظت بالای پودر سیاه گزارش شده در جریان گازورودی به شهر، مشخص کرد که سیستم فیلتراسیون فعلی شهر کرمان کارایی لازم جهت حذف ذرات جامد را ندارد .
با توجه به اندازه ذرات، برای جداسازی آنها از جریان گاز استفاده از جداکننده سیکلون قبل از فیلتراسیون پیشنهاد شد.8 شهر کرمان طراحی و شبیهسازی شدهاست. با- در این مطالعه، سیکلون فشار بالا برای جداسازی ذرات پودر سیاه از گاز طبیعی در ایستگاه ورودی گازF9 توجه به اندازه ذرات پودر سیاه در ایستگاه ورودی گاز شهر کرمان سیکلون استایرمند با راندمان بالا انتخاب شده و سپس برای افزایش راندمان سیکلون طول گردابهیاب بهکمک الگوریتم ژنتیک بهینه شدهاست. پس از انتخاب شرایط مناسب سیکلون با استفاده از الگوریتم نوش ته شده براساس دبی گاز ورودی، افت فشار و قطر برشی طراحی شده است. سپس کارایی سیکلون در شرایط مختلف بهکمک تئوری لیت و لیچت 9F10 و نیز دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه شدهاست.
.2 روش تحقیق
.1 .2 طراحی
ابتدا سیکلون مورد نیاز برای جداسازی پودر سیاه از گاز طبیعی طراحی و سپس شبیهسازی شده است. افت فشار و راندمان جمعآوری ذرات، دو پارامتر مهم در کارایی سیکلونهای جداکننده میباشد. مدلهای گوناگونی برای محاسبهی این دو پارامتر ارائه شده است اما مطالعات نشان دادهاست که تئوری لیت و لیچت نسبت به سایر تئوریها توانسته دادههای آزمایشگاهی را با کمترین میزان خطا پیشگویی کند.[10] به همین علت در این کار برای محاسبهی کارایی سیکلون از مدل لیت و لیچت استفاده شدهاست.لیت و لیچت برای محاسبهی افت فشار رابطهی زیر را ارائه دادند: [11]
که در این رابطه مقدار ثابت k برابر است با: 16 برای حالتی که ورودی سیکلون به شکل مماسی و 7/5 برای ورودی حلزونی شکل. دبی گاز ورودی میباشد.a ، b و De به ترتیب نشاندهنده ارتفاع و عرض کانال ورودی و قطر لوله گردابهیاب - لولهی خروجی گاز - هستند - شکل . - 1 dpj بهصورت زیر محاسبه میشود: [11] در این مدل راندمان جمعآوری برای ذرات با قطر یکسان که T دمای مطلق گاز و D قطر سیکلون میباشد.که در این روابط Dd، H، Hb، S و l به ترتیب نشاندهنده قطرρقسمت خروجی ذرات جامد، ارتفاع کلی سیکلون، ارتفاع قسمت استوانه ای شکل بدنه، طول قسمت داخلی گردابهیاب و طول طبیعی گردابه1F11 هستند. p دانسیته ذرات جامد، ویسکوزیته گاز و vin سرعت گاز ورودی میباشند.راندمان کلی سیکلون، از مجموع جزء جرمی ذرات با قطر یکسان در راندمان جداسازی آنها بهدست میآید. - 8 -
