آموزش شبیه سازی رِاَکتور بستر سیال (گاز-جامد)

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی رِاَکتور بستر سیال (گاز-جامد)

مقدمه‌ای بر رِاَکتورهای بستر سیال (fluidized bed)

رِاَکتور دستگاهی برای انجام واکنش­‌های شیمیایی مورد نظر (تبدیل، ترکیب، تجزیه و …..) با استفاده از کاتالیزورها و درنتیجه، تبدیل مواد اولیه­‌ خام به محصولات مورد نیاز می‌­باشد. راکتورها می­توانند هم در مقیاس­‌های بزرگ صنعتی و هم در مقیاس­‌های کوچک آزمایشگاهی ساخته شوند. با توجه به جنبه‌­های اقتصادی در تولید رِاَکتورها، باید به طراحی راکتورهایی با کارایی بالاتر اما دارای هزینه­ پایین­تر و مصرف انرژی کمتر دست یافت؛ درنتیجه در طراحی راکتورها، پارامترهایی نظیر حجم، دما، فشار، غلظت ذرات، زمان اقامت ذرات، ضریب انتقال حرارت و سرعت انجام واکنش مهم می­‌باشد.

راکتورهای شیمیایی از جنبه‌­های مختف دارای دسته­‌بندی­‌های متفاوت می‌­باشند؛ از جمله راکتورهای پیوسته و ناپیوسته (از نظر تداوم در ورود مواد واکنشی و خروج محصولات)، راکتورهای همگن و ناهمگن (از نظر فازهای درگیر در واکنش)، راکتورهای لوله­‌ای و مخزنی (از نظر ساختمان محفظه­ راکتور)، و راکتورهای بستر ثابت و بستر سیال (از نظر رفتار ذرات جامد موجود در راکتور).

در راکتورهای بستر ثابت، مواد جامد به عنوان کاتالیزور به طور ثابت و ساکن داخل راکتور قرار دارند و مواد واکنش دهنده با عبور از روی این مواد، واکنش داده و از راکتور خارج می‌شوند؛ در حالی که در راکتورهای بستر سیال، مواد جامد به عنوان واکنش­ دهنده یا کاتالیزور درون جریانی از سیال تحت فشار در راکتور به حالت معلق درمی­‌آیند. راکتور نوع بستر سیال دارای مزایایی از جمله سرعت انتقال حرارت و انتقال جرم بالا، نیاز به سطح انتقال حرارت کمتر، توزیع یکنواخت­ دما، کنترل مناسب حرارت، و همچنین اختلاط کامل­ و سریع واکنش دهنده‌ها و کاتالیزورها می­‌باشد. درواقع، مزیت اصلی راکتور نوع بستر سیال نسبت به نوع بستر ثابت، قابلیت کنترل دما و جلوگیری از ایجاد نقاط داغ می­‌باشد که برای هر واکنشی لازم است. راکتورهای بستر سیال دارای کاربردهای صنعتی بسیاری از جمله صنایع پتروشیمی، شیمیایی، تولید برق، سوزاندن زباله خشک‌­کن‌­ها و ….. می­باشند.

شکل زیر شماتیکی از یک رِاَکتور بستر سیال را نشان می­دهد.

تعریف مسأله

مسأله­‌ی حاضر به شبیه­‌سازی جریان دو فازی درون یک راکتور بستر سیال با هندسه­‌ای ساده پرداخته است. از آنجایی که عملکرد راکتورها ذاتاً مبتنی بر اختلاط جریان­ها و ذرات به عنوان واکنش­دهنده‌­ها و کاتالیزورهای فرایند واکنش شیمیایی می­‌باشد، از مدل چند فازی برای تعریف جریان سیالات درون مدل استفاده شده است. ضمناً با توجه به این که مدل حاضر مربوط به شبیه­‌سازی تعلیق ذرات جامد درون یک جریان سیال تحت عنوان مدل بستر سیال می­‌باشد، انتخاب مدل جریان چند فازی اویلرین مناسب­‌ترین گزینه است. بنابراین، مدل شامل یک جریان گازی تعریف شده در نرم‌­افزار به عنوان فاز اولیه با چگالی 21.56 کیلوگرم‌برمتر‌مکعب و لزجت 0.00001081 کیلوگرم‌برمترثانیه و ذرات جامد معلق تعریف شده به عنوان فاز ثانویه با چگالی 910 کیلوگرم‌برمترمکعب و لزجت 0.000017894 کیلوگرم‌برمترثانیه می‌­باشد. فرایند شبیه­‌سازی بدین صورت است که در حالت اولیه درون محفظه، جریان گازی قالب می‌­باشد و ذرات معلق جامد فقط تا ارتفاع 20 سانتی‌متر از محفظه و با کسر حجمی 0.63 درون جریان گازی قرار دارند. فشار کاری سیستم برابر 1400000 پاسکال تعریف شده است. جریان گازی با سرعت 0.3 متربرثانیه به طور عمودی و رو به بالا وارد می­‌شود، در حالی که هیچ ذره­‌ی جامدی وارد راکتور نمی‌­شود. فرایند شبیه­‌سازی در مدت زمان 4 ثانیه و با گام زمانی 0.001 ثانیه انجام گرفته است. هدف از مسأله­‌ی حاضر، بررسی رفتار ذرات جامد معلق در جریان گازی در گذر زمان و همچنین افت فشار ایجاد شده از ورودی راکتور تا خروجی آن می­‌باشد.

گام 1) تعریف هندسه و شبکه­بندی

هندسه­‌ی مدل حاضر به صورت دو ­بعدی و با استفاده از نرم‌­افزار design modeler ترسیم شده است. هندسه­‌ی مدل از یک مستطیل ساده به ابعاد 33 و 90 سانتی­متری تشکیل شده که دارای دیواره‌­های ثابت در دو طرف خود بوده و جهت جریان از ورودی به خروجی مدل، به سمت بالا می­‌باشد. شکل زیر نمایی از هندسه‌­ی ترسیمی مدل را نشان می­‌دهد.

شبکه­‌بندی مدل حاضر با استفاده از نرم­‌افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه‌­بندی به صورت سازمان یافته بوده و تعداد سلول­‌های تولیدی در مش‌­بندی معادل 24750 می‌­باشد. شکل زیر نمایی از مش‌­بندی انجام گرفته را نشان می­‌دهد.

گام 2) مراحل شبیه­‌سازی

برای شبیه­‌سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

• شبیه­‌سازی براساس دیدگاه فشاری (pressure-based) صورت گرفته است.
• شبیه­‌سازی فقط به بررسی رفتار سیالاتی پرداخته است؛ به عبارتی دیگر، شبیه‌­سازی انتقال حرارتی انجام نگرفته است.
• مدل حاضر از نظر زمانی ناپایا (unsteady) می­‌باشد؛ زیرا ماهیت مدل به گونه­‌ای است که رفتار ذرات در مدل با گذر زمان دچار تغییر می‌­شود.
• اثر گرانش زمین (gravity) بر روی جریان لحاظ شده است که معادل 81 متربرمجذورثانیه و در راستای محور y در مدل حاضر می­باشد.

خلاصه­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

مدل چندفازی اویلرین (eulerian multiphase)

مدل چندفازی eulerian پیچیده­‌ترین مدل برای تعریف جریان‌­های چندفازی محسوب می­‌شود. این مدل مجموعه­‌ای از معادلات مومنتوم و بقا را برای هر یک از فازها به صورت جداگانه حل می‌­کند؛ در حالی که در روش­‌های مدلسازی چندفازی mixture و VOF، فقط معادلات برای فازهایی غیر از فاز اولیه حل می­شود. درواقع اساس کار در این مدل این است که معادلات ناویراستوکس به صورت جداگانه برای هر یک از فازها لحاظ می­‌گردد. این مدل به کوپلینگی بین فشار و ضرایب تبادل بین‌فازی دست می­‌یابد که روش کوپلینگ وابسته به نوع فازهای دربرگیرنده می­‌باشد.

به طور کلی، از مدل اویلرین برای شبیه­سازی در مواردی از جریان­های دو فازی استفاده می‌­شود که شامل موارد زیر می­‌شوند:

• شبیه‌­سازی جریان­های حبابی (bubble)، قطره­ای (droplet) و مملو از ذرات (particle-laden) که کسر حجمی فاز پراکنده شونده بیش از ده درصد باشد
• شبیه­‌سازی بالابرنده­‌های عمودی (riser) و سیکلون­‌ها (cyclone) به عنوان جریان گاز-جامد
• شبیه­‌سازی انتقال نیوماتیکی برای جریان­‌های جامد-مایع (granular)
• شبیه‌­سازی بسترهای تشکیل شده از سیال (fluidized beds) به عنوان جریان گاز-جامد
• شبیه‌­سازی جریان­‌های دوغابی (slurry flows) به عنوان جریان مایع-جامد
• شبیه­‌سازی رسوب­‌گذاری به عنوان جریان مایع-جامد
• شبیه‌­سازی پدیده­‌ی تعلیق ذرات (particle suspension)
• شبیه­‌سازی ستون­‌های حبابی (bubble column)

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دوبعدی مربوط به فشار مخلوط، سرعت جریان گازی و ذرات جامد معلق، و کسر حجمی جریان گازی و ذرات جامد معلق در زمان­‌های صفر تا چهار ثانیه به دست آمده‌­اند. همچنین مقدار فشار موجود در مقاطع ورودی و خروجی و درنتیجه افت فشار حاصل در مدل در زمان­‌های مختلف به دست آمده و در قالب نمودار افت فشار بر حسب زمان ارائه شده است.

کانتور کسر حجمی ذرات جامد در زمان‌های 1 تا 4 ثانیه

کانتور سرعت جریان گازی در زمان‌های 1 تا 4 ثانیه

کانتور فشار مخلوط در زمان‌های 1 تا 4 ثانیه