بخشی از مقاله
-1 مقدمه
استفاده از فرایند سیالسازی در چند دهه اخیر، به شکل گستردهای در صنایع مختلف راه پیدا کرده است. در برخی از کاربردها، بستر سیالشده، محیطی است تا ذرات مختلف در مجاورت سیال وارد فرایند خاصی شوند. این ذرات بایستی به خوبی در میان بستر پراکنده شوند. گازسازی مواد جامد در بسترهای سیال شده، نمونهای از این کاربردها میباشد. در فرایند گازسازی ذرات جامدی مانند زغال سنگ، زیست تودهها، و زبالهها در فرایندی با سیال مناسبی مانند هوا، اکسیژن، یا بخار آب به گاز قابل احتراق تبدیل میشوند. در این فرایند اختلاط ذرات جامد با ذرات بستر تأثیر زیادی در طراحی راکتور و راندمان آن دارد. مسئله اختلاط در بسترسیال به پراکندگی مناسب ذرات جامد درون بستر باز میگردد. میزان و کیفیت اختلاط ذرات در یک بستر سیال تابعی از هیدرودینامیک بستر و همچنین مشخصات ذرات مخلوط شونده است.
مطالعات تجربی زیادی برای پی بردن به مکانیزم اختلاط و تأثیر شرایط مختلف بر آن، با به کارگیری روشهای مختلف، انجام شده است. این روشها در دو دسته کلی طبقهبندی میشوند. برخی از محققین فرایند اختلاط را در بسترهایی با دو لایه مجزا از ذرات بستر و ذرات ردیاب مطالعه نمودند. ذرات ردیاب در واقع، بدیل ذراتی هستند که قرار است در بستر سیال وارد فرایند خاصی شوند. این محققین با ردگیری ذرات ردیاب در یک بازه زمانی معین، تغییرات توزیع ذرات ردیاب را در زمانهای مختلف و مکان-های خاصی از بستر بررسی نمودند 2]و.[1 در این روش هیچ ذره-ای به بستر وارد و یا از آن خارج نمیشود. روش دیگری که محققان برای بررسی کیفیت اختلاط از آن استفاده نمودند، تزریق ذرات ردیاب به داخل بستر میباشد. در این روش تغییرات در میزان پخش مواد و بهعبارتی میزان اختلاط ذرات با استفاده از راه-های مختلف ثبت میشود .[3-5]
شن و ژائو [5] اختلاط ذرات زیست توده را در یک گازساز بستر سیال شده مطالعه کردند. آنها از ذرات چوبی قرمز رنگ که نقش زیست توده را ایفا میکرد به عنوان ذرات ردیاب استفاده نمودند. کلیه مراحل فرایند اختلاط توسط دوربین ثبت شده و برای بررسی اختلاط ذرات از روش پردازش تصاویر دیجیتال استفاده نمودند. استین و همکارانش [6] حرکت ذرات را در یک بستر حبابی سه بعدی مشاهده کردند. آنها برای مشاهده مکانیزم حرکت ذرات ردیاب از روش تابش پوزیترون (PEPT) استفاده
نمودند. گلیکسمن و همکارانش [7] با استفاده از روش ردیابی حرارتی، مشخصات اختلاط را در یک بستر سیال حبابی احتراقی در دما و فشار اتمسفر مطالعه کردند. آنها برای ردیابی مسیر ذرات سرد از یک مجموعه ترمومتر استفاده نمودند که در داخل بستر با آرایشی مناسب نصب شده بود. پالارس و جانسون [8] ذرات ردیاب درخشان را برای مطالعه اختلاط ذرات سوخت در یک بستر سیال دو بعدی بهکار بردند. در این روش حرکت ذره روشن بهصورت تصاویر دیجیتال ویدئویی ضبط شد و با آنالیز این تصاویر مسیر حرکت ذره بررسی شد. ذرات ردیاب کپسولهایی از جنس پلاستیک با درخشندگی زیاد بوند. این ذرات ردیاب دارای اندازه بزرگ و چگالی کم بوده و به نوعی شبیهسازی برای ذره سوخت مورد استفاده در بسترهای سیال بویلر بودند. کاروینن [9] اختلاط ذرات پلاستیک با مشخصات فیزیکی یکسان و رنگهای مختلف را در یک بستر سه بعدی بررسی نمود. در هر آزمایش از نقاط مورد نظر در زمانهای مختلف نمونهبرداری شده و غلظت ذرات سفید و سیاه هر نمونه اندازهگیری شد. سلیمان و همکارانش [ 10] اختلاط ذرات را در یک بستر استوانهای و با استفاده از ذرات شن و ذرات شکر بهعنوان ردیاب مطالعه نمودند. آنها در هر آزمایش از مواضع مختلف شعاعی و محوری نمونهبرداری و بررسی کردند. نتایج آزمایشها نشان داد که میزان اختلاط به اندازه ذرات ردیاب بستگی دارد. مجموعه این مطالعات نشان میدهد که اختلاط بستر با ذرات ردیاب خاص و دنبال کردن این ذرات به شیوههای مختلف، روش مؤثر و قابل اعتمادی است. بهکارگیری تکنیک پردازش تصاویر، بهویژه برای اختلاط ذراتی که از نظر نوری تمایز قابل توجهی دارند، مورد توجه محققان بوده است.
در بخش دیگری از تحقیقات مربوط به اختلاط، تأثیر پارامترهای مختلف بر روند و کیفیت اختلاط مطالعه میشود. این تحقیقات عمدتاً بر اثر تغییرات هیدرودینامیکی و مشخصات ذرات بستر بر اختلاط تمرکز دارند. برگس و همکارانش [2] اختلاط ذرات را در بستر دو لایه بررسی کردند. آنها دریافتند که برای بسترهایی با دو لایه از ذرات با چگالی برابر، اختلاط زمانی آغاز میشود که مقدار سرعت هوای ورودی، از حداقل سرعت سیالیت ذرات سبک بستر تجاوز کند. در صورتی که چگالی ذرات یکسان نباشد، تا زمانی که سرعت هوای وروردی از حداقل سرعت سیالیت ذرات سنگینتر بیشتر نشود، اختلاطی رخ نمیدهد. ژانگ و همکاران [11] اختلاط ساقههای خردشده کتان که ذراتی استوانهای شکل بودند را با ذرات شن در یک بستر سیال بررسی
مطالعه تجربی اختلاط ذرات جامد در یک بستر سیال با استفاده از روش
کردند. آنها این کار را برای نسبتهای مختلف ذرات زیستتوده به ذرات شن و در سرعتهای متفاوت گاز انجام دادند. نتیجه این بررسی تعیین یک محدوده برای سرعت گاز، برای دستیابی به یک محدوده مناسب اختلاط بود. سان و همکاران [12] اختلاط ساقههای بزرگ در بستر حاوی ذرات آلومینا را مطالعه نمودند. آنها تأثیر طول ذرات کتان، قطر ذرات آلومینا و سرعت گاز ورودی را روی مشخصات بستر بررسی کردند. نتیجه این تحقیق بهدست آوردن یک بازه طولی برای اندازه ذرات کتان و یک محدوده برای قطر ذرات آلومینا برای رسیدن به یک اختلاط مناسب بود. در تحقیقی دیگر، ژیائودونگ و همکاران [13] اختلاط زبالههای جامد شهری را بررسی کردند. آنها برای این کار به جای استفاده از زباله، از یک سری مواد شبیهسازی شده نظیر چوب، پلاستیک و شمع با اندازههای مشخص استفاده نموده و اختلاط آنها را در بستری از ذرات شن سیلیکا آزمایش کردند. این تحقیق نشان داد که از میان همه عوامل مؤثر بر اختلاط، چگالی ذرات تأثیر مهمتری را بر نحوه اختلاط ذرات بستر دارد. زوکی و همکارانش [14] نیز اختلاط در ذرات بستر را با استفاده از روش پردازش تصاویر بررسی نمودند. آنها این روش را برای شرایط مختلف اختلاط توسعه دادند.
روش بهکار گرفته شده در این تحقیق برای بررسی فرایند اختلاط ذرات در یک بستر سیال، استفاده از بسترهای دولایه می-باشد. برای آنالیز اختلاط ذرات بستر نیز روش پردازش تصاویر دیجیتال انتخاب شد. یکی از مزیتهای این روش، در دسترس بودن رفتار اختلاط در کلیه زمانهای آزمایش است. مزیت دیگر آن امکان بررسی فضای بیشتر از بستر به نسبت روشهای مبتنی بر نمونهبرداری است. بیشتر مطالعات انجام شده با استفاده از روش پردازش تصاویر مربوط به اختلاط در بسترهای دوبعدی است و کمتر به بسترهای سهبعدی پرداخته شده است.
تنوع بسترهای مطالعه شده به ابعاد جریان حاکم بر بستر مربوط میشود. بسترهای دوبعدی برای صحهگذاری و تنظیم مدل-های ریاضی استفاده میشوند. در این بسترها، حبابهای ایجاد شده ماهیت دوبعدی دارند. در عوض بسترهای سهبعدی به آنچه که در عمل استفاده میشود بسیار نزدیک است. با توجه به انحراف نسبی در رفتار هیدرودینامیکی بسترهای دوبعدی نسبت به رفتار واقعی، از یک بستر سهبعدی استفاده شده تا بتوان رفتار یک بستر را در مقیاس واقعی با دقت بیشتری پیشبینی نمود.
از طرفی در هیچیک از این مطالعات، به رفتار سطح بستر پرداخته نشده و بررسی اختلاط ذرات از دیواره بستر انجامشده
Archive of SID
69
است. بنابراین تصاویر ثبتشده از سطح فوقانی بستر پردازششده و با مشاهده اتفاقات رخ داده در این سطح، اختلاط ذرات بستر بررسی میشود. در نهایت با بهکارگیری این روش، مکانیزم اختلاط ذرات در یک بستر دولایه مشخص میشود. از طرف دیگر مشخصات ذرات مخلوط شونده نقشی اساسی در ایجاد یک اختلاط بهینه دارند، بنابراین بررسی تأثیر این مشخصات بر فرایند اختلاط از اهمیت فراوانی برخوردار است. از این رو در این مطالعه اثر چگالی ذرات مخلوط شونده (ذرات ردیاب) و اندازه ذرات بستر از طریق معرفی شاخص غلظت ذرات ردیاب مورد توجه قرار گرفته است.
-2 تجهیزات آزمایش
برای بررسی تجربی فرایند اختلاط، یک بستر سیال بهعنوان دستگاه آزمایش طراحی و ساخته شد. مشخصات کلی بستر، شامل هندسه بستر، مشخصات مواد بستر با توجه به رژیم جریانی مورد نظر، انتخاب شدند.
-1-2 دستگاه آزمایش
شکل 1 طرحوارهای از دستگاه آزمایش را نشان میدهد. این بستر استوانهای به قطر 14 سانتیمتر بوده و ارتفاع بستر میتواند از 5 تا 35 سانتیمتر متغیر باشد. با راهاندازی دستگاه، هوای پرفشار از مخزن از طریق خطوط انتقال و ادوات سنجش وارد بستر میشود. برای تعیین سرعت هوای ورودی به بستر از یک دبیسنج روتامتری کمک گرفته میشود. برای اندازهگیری دبی جریان در یک بازه گسترده، از دو روتامتر استفاده شد که بهصورت موازی در مسیر انتقال قرار گرفتند. جریان هوا پس از اندازهگیری، وارد مجموعه پخشکننده شده و از آنجا وارد بستر میشود. پخشکننده وظیفه هوارسانی یکنواخت به بستر را، بدون ایجاد نواحی مرده و سیالنشده، دارد. تمامی اتفاقات رخ داده در سطح بستر توسط یک دوربین ضبط ثبت میشود. همچنین برای بهبود کیفیت تصاویر ضبط شده از چند لامپ هالوژن برای نورپردازی سطح بستر استفاده شده است.
-2-2 مشخصات ذرات بستر
ذرات مختلف مشخصههای متفاوتی مانند چگالی، اندازه، میزان کرویت، و میزان تخلخل در بستر دارند. با در نظر گرفتن این مشخصهها و همچنین بستر طراحی شده، ذرات شن سیلیکا برای انجام آزمایشها استفاده شد. اندازه این ذرات در محدوده 200 تا
Archive of SID
70 فصلنامه علمی- پژوهشی مکانیک سیالات و آیرودینامیک، جلد 3، شماره 1، بهار 1393
700 میکرومتر میباشد. با توجه به این محدوده ابعاد و همچنین -3-2 مشخصات ذرات ردیاب
چگالی آنها، این ذرات در گروه ذرات B از طبقهبندی گلدارت [15] در یک بستر سیال، اختلاط ذرات بستر با ذراتی که قرار است
واقع میشوند. با توجه به گستردگی بازه اندازه ذرات و برای بالا فرایندهایی را تجربه کنند، بسیار مهم میباشد. به جای استفاده از
بردن دقت بررسیها، اندازه ذرات به سه بازه باریک تفکیک شد. این ذرات که از تنوع و گستردگی زیادی در ابعاد، شکل، و جنس
این کار با استفاده از روش تجزیه غربالی انجام شد. چگالی حجمی برخوردارند، میتوان از ذرات معادل که در این جا به عنوان ذرات
این ذرات با اندازهگیری جرم و حجم طبیعی اشغال شده توسط ردیاب معرفی شدهاند، استفاده کرد. به همین منظور و برای مطالعه
ذرات تعیین شد و برای اندازهگیری میزان تخلخل و چگالی ذره، مکانیزم اختلاط و بررسی کیفیت آن، از ذراتی با شکل، اندازه و
حجم خالص ذرات بهدست آمد. همچنین برای بهدست آوردن رنگی متفاوت نسبت به ذرات بستر استفاده شد. این ذرات،
میزان کرویت ذرات از روش کانی ] [ گرانولهایی رنگین در اندازههای نسبتاً بزرگ میباشند. علت
16 استفاده شد. جدول 1 استفاده از این دانههای رنگی، ایجاد تمایز بصری بین آنها و ذرات
مشخصات ذرات شن غربالشده را نشان میدهد. شکل 2 تصاویری
بزرگ شدهای از ذرات شن سیلیکای تهیه شده از معادن فیروزکوه شن بستر برای ردگیری در فرایند اختلاط در بستر بود. شکل 3
و قزوین را که با استفاده از روش تجزیه غربالی دانهبندی شده است ذرات ردیاب استفاده شده در آزمایشهای اختلاط را به همراه
را نشان میدهد. شکل هندسی آنها نشان میدهد. این سه نوع ذره دارای
مشخصات فیزیکی مختلفی میباشند که در جدول 2 درج شدهاند.
پرفشار هوای
-1 فشارسنج، 2و-3 شیر قابل تنظیم، -4 روتامتر، -5 مجموعه پخشکننده، -6 بستر سیال، -7 سیستم نورپردازی، -8 دوربین فیلم برداری، -9 رایانه
شکل :(1) طرحوارهای از دستگاه آزمایش.
جدول :(1) مشخصات ذرات شن استفاده شده برای آزمایشها.
بازه اندازه اندازه چگالی ذره چگالی حجمی تخلخل کرویت
ذرات متوسط
( ( ⁄ ( ⁄ )
( ) ( )
300-250 275 2630 1470 0/45 0/80
500-420 460 2630 1430 0/6 0/76
700-600 650 2630 1450 0/45 0/78
1 و 2 از معدن فیروزکوه، 3 و 4 از معدن قزوین
شکل :(2) تصاویری بزرگشده از ذرات شن سیلیکای دانهبندی شده.
پلیاتیلن(.(P.E سیلیکاژل (S.G) پیویسی (P.V.C.)
شکل :(3) ذرات ردیاب استفادهشده در آزمایشها بههمراه شکل شماتیک آنها.
مطالعه تجربی اختلاط ذرات جامد در یک بستر سیال با استفاده از روش
جدول :(2) مشخصات فیزیکی گرانولهای ردیاب.
قطر ارتفاع چگالی
جنس ذره شکل رنگ متوسط متوسط
⁄ ) )
( ) ( )
پلیاتیلن استوانه سبز 4 6 0/91
PE-LLD
پلیونیل- استوانه سیاه 4 5 1/4
کلراید PVC
سیلیکاژل کره آبی 4 - 2/3
SG
ابعاد و اندازه این ردیابها با توجه به ردگیری آسانتر آنها در فرایند اختلاط، انتخاب شده است. با در نظر گرفتن مشخصات فیزیکی این ذرات گرانولی، هر یک از این ذرات نقش یک نوع ذره حاوی انرژی را در فرایند اختلاط با ذرات شن ایفا میکند. ذرات پلیاتیلن به علت چگالی کمی که دارند بهعنوان نماینده ذرات چوب در نظر گرفته میشوند. ذرات پیویسی نیز نقش زبالههای شهری و ذرات سیلیکاژل به دلیل چگالی نسبتاً زیاد، نقش ذرات ذغال سنگ را ایفا میکنند.
-3 آزمایشها
روش انجام آزمایشهای اختلاط در بسترهای دولایه به این صورت است که در همه آزمایشها، لایه زیرین بستر را ذرات شن، با یک ارتفاع مشخص و لایه فوقانی را ذرات ردیاب، با یک نسبت حجمی معین تشکیل میدهد. با راهاندازی دستگاه، هوا با دبی مشخصی وارد بستر میشود. همزمان با سیال شدن ذرات بستر، فرایند اختلاط ذرات نیز آغاز شده و با سیالیت همه ذرات موجود در بستر، فرایند اختلاط نیز همهگیر میشود. کار دستگاه تا رسیدن اختلاط ذرات بستر به یک پایداری نسبی یعنی زمانی که تغییرات در کیفیت اختلاط با گذشت زمان به حداقل برسد، ادامه مییابد. این شرایط با استفاده از چند آزمایش، در حدود 10 ثانیه بهدست آمد. با این حال برای بررسی رفتار بستر پس از ایجاد پایداری نسبی، زمان هر آزمایش در حدود یک دقیقه انتخاب شد. زمانهای بیشتر در اجرای آزمایش، اطلاعات بیشتری را ارائه نمیداد. شکل 4 مراحل مختلف فرایند اختلاط، از آماده سازی بستر تا فراگیر شدن اختلاط را در بستر بهصورت شماتیک نشان میدهد.
