توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی گاز-ذرات جامد در راکتور بستر سیال با روش اویلری-اویلری در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT
Simulation of CFD of the Gas–Solid Flow Field in Fluidized Bed Reactors
بستر جوشان(Spouted bed):
بستر جوشان عبارت است از محفظه ای که بالای آن باز بوده و از پایین آن توسط یک نازل(nozzle) ، سیال که عمدتا هوا است، وارد می شود. به دلیل این که این گونه بسترها در حالت ناپیوسته(batch) شروع به کار می کنند، درون محفظه از ذرات درشت (جامد) تا ارتفاع مشخص پر می شود. برای شروع به کار بستر جوشان، سرعت سیال باید از حد معینی بیشتر باشد تا بتواند مسیر خود را از میان ذرات باز کند. به این سرعت، حداقل سرعت جوشش(spouting velocity) گفته می شود. هوا هنگام ورود، میسر خود را به صورت مستقیم از میان ذرات باز کرده و حین حرکت به بالا، بخشی از ذرات را با خود حمل می کند. به این جت هوا، دهانه نیز گفته می شود. این بستر به چهار ناحیه جوشان، استوانه ای (ناودانی) (annulus)، فواره ای(fountain) و نازل ورودی گاز تقسیم می شود. ذرات جامد پس از رسیدن به ارتفاع مشخصی، به اطراف پراکنده شده و در قسمت استوانه ای بستر به پایین و به طرف دهانه برمی گردند. بسترهای جوشان از هندسه های متنوعی برخوردارند. در ابتدایی ترین حالت این بسترها یک محفظه کاملا مستطیلی طراحی شد ولی از آنجا که در گوشه هایی از این بستر ناحیه مرده به وجود آمد محققان تصمیم گرفتند با طراحی بسترهای خم به صورت مستطیلی و استوانه ای این مشکل را حل کنند. حالت بستر خم استوانه ای، محفظه از یک قسمت مخروطی در پایین و یک قسمت استوانه ای در بالا تشکیل شده است. حالت دیگر که به بستر خم جوشان مستطیلی مشهور است، از یک بخش منشور مانند در پایین و یک بخش مکعب مستطیلی در بالا ساخته شده است. بسترهای جوشان باتوجه به کاربردی که برایشان تعریف می شود، به دو صورت پیوسته و ناپیوسته خوراک اولیه وارد آنها می شود.
تاریخچه بسترهای جوشان:
از نظر تاریخی، بسترهای جوشان اولین بار به عنوان جایگزینی برای بسترهای سیال در مواردی که ذرات جامد درشت یا چسبناک بودند به کار برده شدند، بسیاری از این بسترها در ابتدا برای خشک کردن ذرات کشاورزی مانند گندم، جو و سبوس برنج استفاده می شدند. به دلیل حرکت شدید غلات و سرعت بالای هوا، می توان دمای سیال را بسیار بالاتر از بسترهای سیال انتخاب کرد، بدون آنکه آسیبی به ذرات جامد برسد. اولین نسل از خشک کن ها به خشک کن های دوار یا چرخشی، برمی گردد که برای خشک کردن غلات کشاورزی استفاده شد. راندمانه انتقال جرم در این دستگاه ها بسیار پایین است به همین دلیل زمان خشک کردن با افزایش قابل توجهی روبرو می شود، همچنین در پایان فرآیند حجم قابل توجهی از مواد خشک نشده در بستر باقی می ماند. زمان اقامت ذرات در این بسترها نسبت به بسترسیال در حدود ۱۰ تا ۲۰ برابر پایین تر است. به همین دلیل با استفاده از بسترهای جوشان در صنعت خشک کردن به دلیل افزایش میزان تماس بین گاز و جامد راندمان انتقال جرم تا حد بسیار زیادی افزایش می یافت که نتیجه آن بالا رفتن راندمان انتقال جرم و کاهش زمان خشک کردن ذرات می شد. بسترهای جوشان در ابتدا به صورت مستطیلی طراحی و ساخته شدند که به دلیل ایجاد حجم مرده ذرات، راندمان پایینی داشتند ولی با طراحی بسترهای خم یا شیب دار میزان انتقال جرم در این بسترها با افزایش فراوانی روبرو شد. به طوری که با کاهش میزان زمان اقامت ذرات، فرآیند خشک کردن آنها به طور قابل توجهی کاهش یافت. افزایش بازده این نوع بسترها باعث شد در فرآیندهای مختلفی نظیر قیراندود کردن زغال سنگ، پلیمریزاسیون کاتالیستی ،پیرولیز کردن پسماند و خشک کردن مورداستفاده قرار بگیرند. بسترهای جوشان در بسیاری از کاربردها به صورت با لوله مکش و حتی بدون لوله مکش طراحی میشوند. هر کدام معایب و مزایا خاص خود را دارا هستند که می تواند به شرایط عملیاتی، کاهش زمان خشک کردن، میزان انتقال جرم کمک کند.
بسترهای جوشان به عنوان یک دستگاه برای تماس سیال و ذرات جامد در صنایع مختلفی مورداستفاده قرار میگیرند و به همین علت مطالعه هیدرودینامیک این بسترها، اهمیت به سزایی در شناخت و استفاده بهتر از آنها دارد. اضافه کردن لوله مکش به بسترهای جوشان، هیدرودینامیک آنها را تغییر می دهد و بررسی جداگانه ای می طلبد. بسترهای جوشان از هندسه های متنوعی برخوردارند. در معمول ترین حالت، محفظه از یک قسمت مخروطی در پایین و یک قسمت استوانه ای در بالا تشکیل شده است. حالت دیگر که به بستر جوشان مستطیلی مشهور است، از یک بخش منشور مانند در پایین و یک بخش مکعب مستطیلی در بالا ساخته شده است. بستر جوشان عبارت است از محفظه که بالای آن باز بوده و از پایین آن توسط یک نازل، سیال وارد می شود. سیال موردنظر عموما هوا است. درون محفظه از ذرات جامد که معمولا درشت هستند تا ارتفاع مشخصی پرشده است. برای شروع به کار بستر جوشان، سرعت سیال باید از حد معینی بیشتر باشد تا بتواند مسیر خود را از میان ذرات باز کند. به این سرعت، حداقل سرعت جوشش گفته می شود. هوا هنگام ورود، میسر خود را به صورت مستقیم (جت) از میان ذرات باز کرده و حین حرکت به بالا، بخشی از ذرات را با خود حمل می کند. به این جت هوا، دهانه نیز گفته می شود. ذرات جامد پس از رسیدن به ارتفاع مشخصی، به اطراف پراکنده شده و در قسمت حلقوی اطراف دهانه به پایین و به طرف دهانه برمی گردند.
شرح پروژه:
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی گاز-ذرات جامد در راکتور بستر سیال با روش اویلری-اویلری در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
جهت تولید هندسه مسئله از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS DesignModeler) استفاده شده است.
مش بندی و شبکه:
جهت تولید شبکه و مش بندی از نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) استفاده شده است.
شبیه سازی و حل:
به منظور شبیه سازی و حل مسئله از نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS Fluent) استفاده شده است.
سیال:
سیال دوفازی مورد استفاده هوا و ذرات جامد(چگالی 2400 کیلوگرم بر مترمکعب) با قطر 0.28 میلیمتر می باشد. برای حل دوفازی از روش اویلری-اویلری استفاده شده است.
روش حل:
برای وابستگی سرعت و فشار از روش سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
