بخشی از مقاله
مروری بر دینامیک سیالات محاسباتی در مهندسی شیمی
چکیده
دینامیک سیالات محاسباتی شاخه جدیدی از علم مکانیک سیالات است کـه در رشـته هـای مختلـف علـوم و مهندسی مورد توجه قرار گرفته است. کاربردهای مختلف دینامیک سـیالات محاسـباتی در مهندسـی شـیمی و فرایند از جنبه های مختلف مورد نقد و بررسی قرار گرفته اسـت، بـرای انجـام محاسـبات دینامیـک سـیالات محاسباتی به نرم افزارهایی نیاز است که می تواند شخصی یا تجاری باشند. انتخـاب نـرم افـزار و سـخت افـزار مناسب برای انجام محاسبات دینامیک سیالات محاسباتی مستلزم داشتن اطلاعات کامل در این مورد اسـت. در این مقاله به این موضوعات پرداخته شده است.
مزایای استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در صنایع فرایندی شیمیایی ذکر شده اند و نمونه هایی از کـاربرد موفقیت آمیز دینامیک سیالات محاسباتی ارائه شده اند، همچنین چشم انداز آینده کـاربرد دینامیـک سـیالات محاسباتی در صنایع فرایندی شیمیایی و تحقیقات مورد نیاز برای گسترش CFD ارائه و اولویت بندی شده است .
کلمات کلیدی: دینامیک سیالات محاسباتی، طراحی تجهیزات فرایندی.
مقدمه
فرایندهای شیمیایی باید بطور مداوم با حداکثر سرعت و حداقل هزینه بهبود یابند . در این راستا بـه افـزایش مقیاس و توسعه فرایند، بهینه سازی، تغییر و یا بهبود عملیات فرایندی و سیستمهای کنترل نیاز مـی باشـد. معمولاﹲ برای انجام این موارد به کارهای آزمایشگاهی زیادی نیاز می باشد، نیاز به کارهای آزمایشگاهی زیاد در تضاد با نیاز به تصمیم گیری سریع است. مدل سازی کلید اصلی حل این مسائل می باشد. چنانچه مدل هـای کامل١ برای تمام انواع عملیات واحدها در دسترس باشد، تعداد آزمایشات لازم برای افزایش مقیاس یـا ایجـاد تغییرات در یک واحد تولیدی را می توان بطور قابل ملاحظه ای کاهش داد ]١.[ روشهای مـدرن بـرای مـدل سازی تجهیزات فرایندهای شیمیایی را می توان به دو شاخه تقسیم کرد. از یک طرف، مدل سـازی تجربـی و نیمه تجربی بر مبنای آنالیز ابعادی با تاریخچه طولانی را می توان یافت و از طـرف دیگـر دینامیـک سـیالات محاسباتی پیشرفته، که در بعضی از شاخه های علوم ( مثل مهندسی هوافضا ) کاملا شناخته شده است و روز به روز مهندسین شیمی به آن علاقه بیشتری نشان می دهند. هر دو شاخه اکنون در کنار هم وجود دارند. بـا توجه به اینکه مرتباﹰ منابع محاسباتی ارزانتر و در دسترس تر می شوند، به زودی این دو بصورت یـک جریـان واحد "مدل سازی دقیق یا جزئی نگر" درمی آیند. اولین قدم در این زمینه توسط ]٢Bauer and Eigenberger [ در کاری که آنها آنرا "Multiscale approach" نامیدند برداشته شد . مدلهای CFD که می توان آنهـا را جـزﺀ مدل های کامل به شمار آورد، دارای انعطاف پذیری زیادی هستند بطوریکه با تغییر میزان جزئی نگـری مـی توان خانواده ای از مدلها برا ی مراحل مختلف طراحی بدست آورد .
CFD چیست ؟
در مکانیک سیالات تحلیلی٢(AFD) معادلات کلاسیک تنها برای حالات محدودی از جریانها(حدود ٨٠ مورد) بصورت تحلیلی قابل حل هستند]٣.[ گرچه این حل ها در درک دینامیک سیالات بسیار مفیـد هـستند، ولـی بندرت برای تحلیل و طراحی مهندسی بکار می روند. از اینـرو مکانیـک سـیالات آزمایـشگاهی٣(EFD) بـرای درک پدیده های مختلـف جریـان مـورد توجـه بـوده اسـت، لـیکن بـرای رسـیدن بـه ایـن اهـداف نیـاز بـه آزمایشگاههای مجهز می باشد و گاهی لازم است آزمایشات زیادی انجام شوند که نیاز به صرف وقت و هزینـه زیادی دارند. نتایج در قالب گروه های بدون بعد و روابط نیمه تجربی ارائه می شوند و معمـولاﹰ بـرای اسـتفاده صنعتی از نتایج آزمایشات به افزایش مقیاس نیاز می باشد. اگر چه نظریات اصلی برای حـل عـددی معـادلات دیفرانسیل جزئی از بیش از یک قرن پیش ارائه شده اند، اما تـا قبـل از ورود کامپیوترهـای دیجیتـال عمـلاﹰ استفاده اندکی از آنها شده بود. تحول عظیم در قدرت ذخیره سازی و پـردازش اطلاعـات توسـط کامپیوترهـا، باعث پیشرفت در روشهای عددی حل معادلات دینامیک سیالات گردیـد. ایـن امـر باعـ ث تولـد یـک شـاخه تخصصی به نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) گردید. CFD نیاز به فرضیات محدود کننـده کمـی دارد و تمام متغییرهای میدان جریان را بطورکامل توصیف می کند. روشهای مربوطه براحتی قابل استف اده هستند، و تعداد زیادی از فرایندهای مربوط به جریان سیال را می توان بطور همزمان مطالعه کرد بنابراین مسائل کـاملاﹰ پیچیده را می توان با CFD بررسی کرد. می توان شبیه سازیهای CFD را پلی بین تئوری و واقعیت به حساب آورد. شبیه سازی با CFD دارای این مزیت بزرگ است که می توان اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار جریان را
بدون انجام آزمایش بدست آورد، در این شبیه سازی ها این امکان فراهم می شود که بتـوان عوامـل مختلـف موثر بر جریان را در مدل حذف و یا اضافه نمود و به این ترتی ب سهم نسبی هر کدام از فراینـد هـای جریـان مشخص می شود در حالیکه فهم آنها از طریق آزمایشات، اگر غیر ممکن نباشد، بسیار سخت است. همچنـین بدون اینکه یک مدل فیزیکی واقعاﹰ ساخته شود، با روش های CFD می توان ایده های مختلف را در مـورد آن امتحان کرد. این شبیه سازی ها امکان تحلیل دقیق در مراحل اولیه سیکل طراحی فراینـد را بـا هزینـه کـم، ریسک کمتر و زمانی کوتاهتر از تست های آزمایشگاهی، امکان پذیر می نماید. تجهیزات را در حالت ظرفیت کامل می توان تحلیل کرد و بدین ترتی ب می توان گفت که در این روش ها کار افزایش مقیاس هم انجام می شود. این روشها امکان رسیدگی کردن به نقش و عمل تجهیزات فرایندی را فراهم می سـازند و اطلاعـات بـا ارزش را به سازندگان تجهیزات، مدیران plant، مدیران تولید، مهندسین فرایند و واحد تحقیق و توسـعه ارائـه می نمایند. در حقیقت، این مزیت های CFD فقط وقتی قابل دسترسی هستند که معادلات بقاﺀ اندازه حرکت، جرم و انرﮊی دقیقاﹰ حل شوند و این کار برای اکثر کاربردهای مهندسی، بسیار مشکل می باشد. در جدول١ به تعداد اندکی از کاربردهایی که CFD تا کنون در صنایع شیمیایی پیدا کرده اشاره شده است، ضمن آنکـه هـر روزه شاهد به کارگیری CFD در بخشهای دیگر نیز هستیم .
جدول١- نقشCFD در تعدادی از تجهیزات فرایندی
زمان زیادی است که CFD به عنوان یک ابزار مهم در صنایع هوا فضا و خودروسازی شناخته شده است]٤.[ و تا حد زیادی جای آزمایشهای وقت گیر و پرهزینه تونل باد را گرفته اسـت. در مـواردی در طـی دهـه گذشـته بـا توسعه و کاربرد CFD، زمان طراحی تا تولید هواپیماها به نصف یا کمتر کاهش یافته است]٤.[ مهندسین شیمی اخیرﹰا متوجه توان بالقوه CFD برای توسعه و بهبود تجهیزات فرایندی شده اند، و این بیشتر به این دلیـل اسـت که در اطراف یک خودرو جریان تک فازی است، اما مدل سازی ها در مهندسی شـیمی در اغلـب مـوارد شـامل جریانهای چند فازی و یا چند جزئی همراه با انتقال جرم و واکنش شیمیایی می باشند و مدل سازی و تحلیـل عددی آنها نیازمند چالش های بیشتری است. کاربردهای چند فازی CFD فقط در طی دهه گذشته مورد توجه گسترده ای قرار گرفته است. با این وجود هنوز راه زیادی در پیش است تا CFD چند فازی به یک ابزار عمـومی برای دست اندرکاران این شاخه تبدیل شود]٥[، گسترش این محاسبات بـه کامپیوترهـای شخـصی و رومیـزی نخستین گام در این زمینه است .
مدل سازی محاسباتی جریان
مدل سازی با CFD، برای کاربردهای مهندسی، نیاز به تجربه کافی در زمینه مربوطـه و اطـلاع کامـل از جنبـه های مختلف CFD، همراه با خلاقیت و قدرت نوآوری، دارد. فعالیتهای لازم در یک پروﮊه نمونه مـدل سـازی بـا CFD در شکل زیر آمده است. در ادامه به نمونه هایی از کاربردهای موفقیـت آمیـز CFD در صـنایع شـیمیایی اشاره شده است .
مهندسین خلاق حتی در فرایند ها و تجهیزاتی که از لحاظ تکنولوﮊی به حد کمال رسیده انـد٤ نیـز تغییـرات قابل توجهی ایجاد می کنند. یکی از مثالها در زمینـه اسـتفاده از دینامیکـسیالات محاسـباتی در بهبـود بـازده راکتور، اصلاح شیوه عملیاتی موسوم به Super–Condensed در راکتورهای بستر سیال پلیمریزاسیون(الفین هـا) است. ظرفیت تولید محصول در این راکتورها توسط توان انتقال حرارت راکتور و شرایط عملیـاتی کنتـرل مـی شود. در این شیوه عملیاتی، برای افزایش شدت انتقال حرارت, یک مایع فرار به درون بستر سیال شـده تزریـق می شود. افزایش واقعی در میزان جذب حرارت به تعدادی از پارامترها از جمله مکان و روش تزریق مایع, نحـوه توزیع مایع تزریق شده، تماس بین مایع و ذرات جامد معلـق و غیـره، بـستگی دارد. اطـلاع دقیـق از دینامیـک سیالات چند فازی و اختلاط در این دستگاههای پیچیده منجر به انتخاب و طراحی درست نازل و مکان نازل ها شده است. تلاشهای اخیر بهینه سـازی]٦[ بـر اسـاس آزمایـشات دقیـق و مـدل سـازی بـا دینامیـک سـیالات محاسـباتی منجـر بـه افـزایش اساسـی ( از٥٠ بـه ١٠٠% )در ظرفیـت راکتورهـای پلـی الفـین شـد( یعنـی تولید١٠٠٠٠٠-٥٠٠٠٠ تن در سال پلی اتلین بیشتر از راکتور موجود !). ]٧Brithing et al. [ گزارش کـاملی از فعالیت های مدل سازی CFD در بزرگترین کمپانیهـای صـنایع شـیمیایی آلمـان( شـامل (Degussa – Huls, Axiva, Bayer and BASF ارائه کرده و نشان داده اند که این روشها با موفقیت، برای کارهای مـدل سـازی در انواع دستگاهها و تجهیزات فرایندی - توزیع کننده گاز، اکسترودرها، همزنهـا، راکتورهـای لولـه ای، برجهـای حبابکار،راکتورهای بستر ثابت، خشک کن های پاشنده و وسایل جداسازی - استفاده شده اند. قابل ذکـر اسـت که اکثر این مثالها حداقل دارای دو فاز می باشند.
مرور دیگری از وضعیت فعلی فعالیت های مدل سازی CFD توسـط ]٩], Sundareson [٨LaRoche[ صـورت گرفته است. تعداد زیادی از این چنین کاربردهایی ممکن است در صنایع امروزی به نتیجه رسیده باشند, امـا بدلیل محرمانه بودن، بسیاری از این مثالها در مقالات آزاد آورده نمی شوند.
]١٠Cockx et al[ محاسبات CFD مربوط به برج ازناسیون آب آشامیدنی در مقیاس صنعتی را ارائه کرده اند. ایشان انتقال جرم ازن را در محاسبات در نظر گرفته اند و غلظت ازن در فاز مایع را محاسبه کرده اند. آنها بـا اضافه کردن بافلها و جابجا کردن ورودی برج بـه مکانهـای مختلـف توانـستند بـه افـزایش ١٠٠درصـدی در راندمان فرایند گندزدایی دسترسی پیدا کنند.
]١١Erdal et al[ مدل سازی رفتار حباب در سیکلون های جداکننده گـاز – مـایع، بـا اسـتفاده از نـرم افـزار CFX-4.1 را گزارش کرده اند. آنها توانسته اند درصد حباب که بطور ناخواسته از طریق مایع خروجی از پایین راکتور به بیرون راه می یابد را حساب کنند و تاثیر مدل سازی صحیح turbulent dissipation را بر این پدیده که اصطلاحاﹰ "Carry-under" نامیده می شود نشان دهند.
شکل ١- نمونه پروﮊه مدل سازی جریان
کاربرد هایی از روش هـای CFD چنـد فـازی در مهندسـی راکتورهـای هـسته ای، توسـط]١٢Morii and [ Ogawa، ارائه شده است. کاربردهای CFD در نیرو گاههـای معمـول نیـز گـزارش شـده اسـت]١٣.[ در ایـن نیروگاهها ذغال سنگ در یک فرایند با بـستر چرخـشی مـی سـوزد و غبـار توسـط تـه نـشین کننـده هـای الکترواستاتیک از جریان گاز خروجی جدا می شود. مدل سازی هیدرو دینامیک سینی غربالی بـا اسـتفاده از
CFD هم اکنون در دانشگاه سیستان و بلوچستان به عنوان رساله دکتری در دست انجام مـی باشـد و چـشم انداز روشنی به چشم می خورد]١٤،١٥.[
اهداف اجرایی
دینامیک سیالات محاسباتی می تواند مستقیماﹲ به اهداف مورد نیاز صـنایع شـیمیایی کمـک کنـد. خـصوصاﹰ کاربرد تکنیک های محاسباتی می تواند سبب بهبود موارد زیر شود]١٦:[
· کوتاه شدن سیکلهای توسعه محصول – فرایند
· بهینه سازی وکنترل فرایندهای موجود برای بهبود بازده و مصرف انرﮊی
· طراحی کار آمد محصولات و فرایند های جدید
· بهبود در شرایط سلامتی٥، ایمنی و زیست محیطی
با در نظر گرفتن این اهداف کلی به عنوان مبنا، می توان اهداف اجرایی (کیفی و کمی) بـرای CFD مطـابق جدول ٢ مشخص کرد .
جدول ٢- اهداف اجرایی
با استفاده از روشهای توسعه (بـدون(CFD زمان به نتیجه رسیدن فرایند بین ٧ تـا ١٠ سـال مـی باشـد]١٦[، نتیجه اولیه کاربرد CFD کاهش زمان به نتیجه رسیدن توسعه فرایند(طراحی ( plant و توسعه یک محـصول جدید می باشد. در فازهای نخست توسعه فراینـد و محـصول (یعنـی بهینـه سـازی آزمایـشگاهی و افـزایش مقیاس )، CFD دارای تاثیر بیشتری است. CFD با افزایش اطمینان در طراحی، کاهش یـا حـذف خطاهـای طراحی، ایجاد امکانات مشاهده نتایج طراحی فرایند، بکار بردن نوآوریها و ابداعات باعث سـهولت در طراحـی می شود .
کاربرد CFD در بهینه سازی فرایند های با مصرف زیـاد انـرﮊی(مثـل جـدا سـازی هـا) مـی توانـد رانـدمان جداسازی را بهبود بخشد، انرﮊی مصرفی را کاهش دهد و بازده زیست محیطی را بالا ببـرد. همچنـین CFD می تواند راهی برای بهبود انتقال حرارت مهیا سازد(مثل بازیابی هدر رفـت انـرﮊی) و نیازهـای کلـی انتقـال
حرارت در را به نحو چشم گیری بهبود بخشد .
نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی
اولین برنامه های CFD در حدود سالهای ١٩٦٠ توسعه داده شد، اما بدلیل محدودیت های محاسبات توسـط کامپیوترها، تا سالهای ١٩٨٠ کدهای تجاری ارائه نشدند. در سال ١٩٧٤ برنامـه TEACH توسـط Imperial college در دسترس عموم قرار گرفت و باعث توجه گسترده ای به روش حجم محدود گردید، این برنامه زیـر ساخت اصلی تمامی نرم افزارهای تجاری امروزی است]١٧. [
رشد پیوسته و فوق العاده سریع قدرت پردازش کامپیوترها، استفاده از مدلهای فیزیکی بهتر در بسیاری از این نرم افزارها، وUser interfaces بهتر استفاده از این نرم افزارها را برای افـراد مبتـدی امکانپـذیر کـرده اسـت، امروزه نرم افزارهای CFD حتی روی کامپیوترهای شخصی هم قابل اجرا هستند. ایجاد یـک بانـک ابزارهـای محاسباتی، که برای محققین کم تجربه براحتی قابل استفاده باشد، یک هدف عالی است. ایـن ابزارهـا را مـی توان با کدهای "Plug –and – Play" طراحی نمود تا بکارگیری آسان زیر مـدل هـا و الگـوریتم هـای حـل جدید روی ماشین های محاسباتی مختلف - مثل ماشینهای رومیزی با بازده بالا، ماشینهای پردازش بـرداری سریع و بزرگ و پردازشگرهای موازی – را ممکن سازد. کدهای پیشنهادی باید مستقل از معماری کامپیوترها باشد، تا در صورت تغییر در این معماریها به تغییرات درکدها نیاز نباشد.
