مشعل گازی، احتراق هوا-متان دو مرحله‌ای، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (مشعل گازی)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی مکانیزم احتراق هوا-متان دو مرحله‌ای در یک مشعل گازی (bas flare) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

سیستم مشعل (فلر) که به مشعل گازی نیز معروف است، یک دستگاه احتراق (combustion) است که در واحدهای صنعتی مانند پالایشگاه‌های نفت و گاز و تولید چاه‌های نفت و گاز به‌ویژه در سکوهای دریایی استفاده می‌شود.

مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی کردیم. مدل حاضر مربوط به ساخت مشعل گازی است که دارای تقارن است و تنها نیمی از آن را برای کاهش هزینه محاسباتی مدل سازی کردیم.

این مشعل دارای ساختاری استوانه‌ای با چهار مجرای خروجی است که در یک دامنه محاسباتی مشخص با جریان باد قرار دارند. این دامنه محاسباتی نیز به دلیل تقارن به صورت نیمه طراحی کردیم و از شرط مرزی تقارن استفاده کردیم.

مش بندی مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام دادیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 1546925 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

مشعل‌های گازی مسئول سوزاندن گازهای طبیعی آزاد شده در حین استخراج نفت هستند. درواقع در طی فرآیند استخراج نفت، مقداری گاز طبیعی به صورت توده‌ای در بالای نفت موجود در مخازن تجمع می‌یابد.

بنابراین، جمع‌آوری و ذخیره‌سازی گاز طبیعی بهتر است؛ اما در صورت عدم امکان آن را می‌سوزانند. احتراق این گازها با استفاده از سیستم فلر باعث می‌شود که اولاً از احتراق و سوختن این گازها به طور خطرناک و غیرقابل کنترل جلوگیری شود. ثانیاً سوزاندن و تبدیل متان به دی‌اکسید کربن و رهاسازی آنها در فضای باز آسیب کمتری نسبت به آزادسازی متان دارد.

بنابراین برای این پروژه، از مدل انتقال گونه‌ها (species transport) استفاده شده است. برای تعریف واکنش‌های شیمیایی، حالت واکنش باید در حالت حجمی (volumetric) فعال شود. همچنین از مدل اتلاف گردابی (eddy dissipation) برای تخمین سرعت (نرخ) واکنش استفاده می‌شود.

در این شبیه سازی، مخلوطی از متان و هوا در یک مکانیزم دو مرحله‌ای سوزانده می‌شود. آنها یک واکنش شیمیایی را در دو مرحله متوالی ایجاد می‌کنند.

درابتدا، متان و اکسیژن برای تولید مونوکسید کربن واکنش می‌دهند و سپس مونوکسید کربن با اکسیژن ترکیب می‌شود و دی‌اکسید کربن تولید می‌کند. هوا با سرعت 0.2 متربرثانیه و دمای 300 کلوین وارد دامنه محاسباتی می‌شود.

همچنین سوخت با سرعت 0.1 متربرثانیه و دمای 300 کلوین وارد می‌شود. علاوه براین، مدل توربولانسی k-epsilon realizable و معادله انرژی برای حل معادله سیال توربولانسی و محاسبه توزیع دما در دامنه محاسباتی فعال هستند.

نتایج (مشعل گازی)

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت و کسر جرمی (mass fraction) هر گونه گازی (species) مدل‌سازی شده در این شبیه‌سازی به دست می‌آید. کانتور دو بعدی در صفحه تقارن هندسی نمایش داده می‌شود.

کانتور کسر جرمی گونه‌های گازی نشان دهنده وقوع یک واکنش شیمیایی است.

به عنوان مثال، کانتور دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن نشان می‌دهد که یک واکنش شیمیایی این محصولات گازی را تولید می‌کند، یا کانتور متان نشان می‌دهد که هیدروکربن به عنوان یک عامل واکنش شیمیایی استفاده می‌شود.

نکته قابل توجه دیگر این است که جریان باد تعریف شده در ناحیه محاسباتی باعث می‌شود که گازهای حاصل از واکنش شیمیایی مانند دی‌اکسید کربن و مونوکسید کربن یا آلاینده‌های NO در محیط اطراف مشعل رها شوند.