توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان دوفازی گاز-مایع در راکتور ستون حبابی(Bubble column) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
واکنش های شیمیایی مربوط به صنایع شیمیایی، پتروشیمی و نفتی در تجهیزاتی به نام راکتور(Reactor) انجام می شوند. در این راکتورها با ایجاد شرایط تحت کنترل سعی می گردد تا محصولات مطلوب و یا اهداف واکنش در شرایط موردنظر به دست آیند. برای استفاده در طیف وسیعی از شرایط عملیاتی چه از نظر ویژگی های شیمیایی گونه ها (واکنش دهنده ها و محصولات) و چه از نظر شرایط فیزیکی تحت عملیات، راکتورهای بسیار متنوعی وجود دارند. فاکتور های عمده تاثیرگذار بر انتخاب راکتور این ها هستند: تعداد فازها، نیاز یا عدم نیاز به سیستم های آشفته، رسیدن و حفظ و نگهداری دما و فشار برای واکنش و مقیاس تولید که مدل عملیاتی پیوسته یا ناپیوسته را مشخص می کند. ستون های حبابی(bubble column)، یکی از مهمترین تجهیزات انتقال جرم در سیستم های دو یا چندفازی که یکی از فازها گاز می باشد، هستند. این تجهیزات در صنعت در فرایندهایی نظیر هوادهی، کلریناسیون، هیدروژناسیون، تصفیه پساب های صنعتی، تولید بسیاری از مواد آلی و … کاربرد دارند. حرکت فازهای عملیاتی در ستون های حبابی به صورت نامنظم می باشد.
راکتور:
راکتور دستگاهی است که در آن فرآیندهای بیوشیمیایی و یا بیولوژیکی تحت شرایط محیطی کنترل شده (دما، pH، فشار، اختلاط، هوادهی، انتقال اکسیژن و غیره) انجام می شود. راکتورها درواقع تجهیزاتی هستند که در واحدهای کوچک آزمایشگاهی از جنس شیشه و درواحدهای بزرگ صنعتی معمولا از جنس استیل ساخته می شوند.
انواع راکتور:
راکتورها براساس روش های همزدن و ساختمان ظرف اصلی به گروه های زیر طبقه بندی شده اند:
١- راکتورها با همزن مکانیکی(Mechanically agitation)
(از جمله تانک همزن دار، مخزن دوار و…)
۲- راکتورها با همزن پنوماتیکی(Pneumatically agitation)
(راکتور هواخیز، راکتور برج حباب کار، راکتور بالون حباب کار و…)
3-راکتور تانک همزن دار(Stirred – tank reactor):
در این راکتور از یک همزن برای ایجاد اختلاط استفاده می شود. هوا از کف راکتور توسط توزیع کننده(Sparger) وارد شده و حباب ها در حین بالا رفتن به پره ها برخورد کرده و شکسته می شوند، درنتیجه در این راکتور حباب های کوچکی تشکیل شده و انتقال جرم در آن بالاست اما به دلیل حرکت چرخشی پره ها ممکن است به سلول ها و یا میکروارگانیزم ها آسیب وارد شود. به دلیل اختلاط خوب و کاملی که در این راکتورها ایجاد می شود انتقال حرارت نیز در آنها به خوبی انجام می شود.
4-راکتور مخزن دوار(Rotating drum reactor):
این نوع راکتور شامل مخزن استوانه ای است که به صورت افقی قرار دارد و بر روی غلطکی که به وسیله موتور مکانیکی می چرخد، نصب می شود و این حرکت دوار باعث اختلاط محیط می شود. این راکتور ظرفیت انتقال اکسیژن در محیط هایی با چگالی سلولی بالا را دارد و تنش برشی در آن پایین است درنتیجه رشد سلول ها در آن به راحتی انجام می شود. محدودیت عمده این راکتور این است که طراحی راکتورهایی از این نوع با حجم های بالا برای کاربردهای صنعتی مشکل است.
5-راکتور برج حباب کار(Bubble column reactor):
این راکتور اصولا از یک محفظه سیلندری تشکیل می شود که یک توزیع کننده هوا در کف آن قرار گرفته است. در حین بالارفتن حباب ها، انتقال جرم از گاز به مایع(و یا دوغاب) انجام شده و در بالای راکتور گازهای اضافی خارج می شود. به دلیل این که سرعت بالارفتن حباب های هوا نسبت به مایع اطراف بیشتر است این حباب ها مایع را به سمت بالا حرکت می دهند و یک الگوی چرخش مایع ایجاد می شود که شدت اختلاط در فاز مایع را بالا می برد. در بیشتر راکتورهای برج حباب کار قطر قسمت بالای برج به منظور جدا شدن راحت تر حباب ها و جلوگیری از ایجاد کف، بزرگ تر ساخته می شود.
6-راکتور لوپ(Loop reactor):
راکتور لوپ انواع مختلفی دارد که به چند نوع آن اشاره می شود.
7-راکتور هواخیز(Air- lift reactor):
در راکتور هواخیز محفظة اصلی به دو قسمت تقسیم می شود، قسمتی که گاز ورودی وارد آن می شود بالارونده(riser) نامیده می شود. حباب ها در بالارونده به سمت بالا رفته، تعدادی از بالای راکتور خارج و تعدادی از آنها نیز وارد قسمت دیگر راکتور می شوند که ناودانی(Down comer) نامیده می شود. در این قسمت حباب ها به سمت پایین حرکت می کنند و دوباره وارد منطقه بالارونده می شوند. در این راکتور به دلیل وارد شدن حباب به بالارونده، اختلاف چگالی بین بالارونده و ناودانی باعث چرخش سیال و ایجاد اختلاط می شود.
تجهیزات تماس دهنده گاز مایع:
رایج ترین دستگاه هایی که تماس مناسب بین حباب های گاز و مایع ایجاد می کنند، عبارتند از مخازن همزن دار(mixed reactor)، ستون های حبابی(bubble column) و راکتورهای هواراند(airlift reactor). مخازن همزن دار، نوع پرکاربردی از تماس دهنده های دو فازی هستند که معمولاً در فرآیندهای تخمیر استفاده می شوند. در این مخازن پخش گاز در مایع توسط نیروی مکانیکی همزنی که معمولا نزدیک کف راکتور است، ایجاد می شود. بنابراین سطح تماس فازهای عملیاتی به میزان ایجاد آشفتگی محیط و پخش شدگی فازها بستگی دارد. ولی اغتشاش زیاد همزن در این مخازن، سبب آسیب به باکتری هایی می شود که از مناطق با تنش برشی بالا در اطراف پره های همزن عبور می کنند. همچنین انرژی مورد نیاز همزن سبب کاهش بازده اقتصادی فرایند می شود. طراحی این گونه مخازن هر چند از نظر ظرفیت عملیاتی انعطاف پذیری بالایی دارد، ولی به علت حضور همزن، بفل برای جلوگیری از تشکیل گردابه، جلوگیری از طغیان، کویل های حرارتی برای واکنش های گرماگیر و پیچیدگی زیادی دارد و باعث افزایش هزینه طراحی می شود. نوع دیگری از تماس دهنده های دو فازی، ستون های حبابی هستند که به علت هزینه پایین سرمایه گذاری، میزان حداقل مصرف انرژی و هزینه بسیار اندک تعمیر و نگهداری، بسیار رایج و مقرون به صرفه بوده و بیشتر در فرایندهای شیمیایی به کار می روند.
ستون های حبابی تجهیزات مکانیکی ندارند و سطح تماس گاز و مایع به ویژگی های فاز مایع، نوع طراحی پخش کننده، هندسه تماس دهنده و انژی هوای ورودی بستگی دارند. مهمترین برتری این تماس دهنده ها نسبت به مخازن همزن دار، کاهش تنش برشی حین عمل اختلاط می باشد. علاوه بر این برای سیال عملیاتی با ویسکوزیته بالا نیز مناسب هستند. طراحی این تماس دهنده ها ساده و فقط شامل بررسی شکل سطح مقطع، ارتفاع، قطر و نوع تزریق کننده می باشد،که از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است. کاربرد این سیستم ها به علت نحوه حرکت سیال و ایجاد مناطق مرده و یا مناطق که سیال دچار حرکت گردشی می شود که باعث کاهش انتقال جرم و راندمان فرایند می شود، کاهش چشمگیری داشته و تلاش هایی برای بهبود طراحی و رفع محدودیت های آنها انجام گرفته که طراحی راکتور هواراند مهمترین نتیجه این اصلاح طراحی بوده است.
کاربرد ستون های حباب کار:
ستون های حبابکار به دلیل ساختار ساده و بالا بودن میزان انتقال جرم و حرارت به طور گسترده در صنایع شیمیایی، پتروشیمی، متالوژی و بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرند. اینگونه راکتورها معمولاً وقتی استفاده می شوند که بین دو فاز تماس دهنده سطح مشترک زیادی لازم باشد و یا زمانی که کنترل دمایی دقیق برای یک واکنش لازم باشد. اینگونه راکتورها می توانند به صورت سه فازی نیز وجود داشته باشند دراینحالت یک جامد سوسپانسیونی به عنوان فاز سوم به سیستم میکروارگانیسم ها به منظور تولید محصولات با ارزش صنعتی مانند آنزیم ها، پروتئین ها، آنتی بیوتیک ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرند. از پدیده های موثر در عملیات اینگونه راکتور ها می توان به متغیرهای عملیاتی اشاره کرد. عموما طراحی راکتورهای ستون حبابی بستگی به تعیین مشخصات انتقال جرم و گرما، مشخصات مخلوط و سینیتیک شیمیایی سیستم واکنش دارد. به منظور طراحی بهتر راکتورهای ستون حبابی باید رژیم جریان و یا به عبارت دیگر پارامتر های هیدرودینامیکی جریان مورد ارزیابی قرار گیرند. دینامیک سیال در راکتورهای ستون حبابی اثر قابل توجهی بر عملیات و عملکرد ستون های حبابی دارد. بنابراین بررسی هیدرودینامیک حباب ها نسبت به بقیه موارد از همه مهمتر می باشد. ماندگی گاز یک پارامتر کلیدی بدون بعد برای مقاصد طراحی است که پدیده انتقال ستون های حبابی را مشخص می کند و اساسا به عنوان کسر به ویژگی های مایع، ابعاد ستون، درجه حرارت و فشار عملیاتی، طراحی توزیع کننده و نیز ویژگی های فاز جامد اشاره نمود.
روش های مدلسازی چند فازی:
پیشرفت مکانیک سیالات محاسباتی راههای دستیابی به بینش بیشتر از دینامیک جریان های چند فازی را تأمین کرده است. در حال حاضر دو روش برای محاسبات عددی جریان های چند فازی وجود دارد: روش اولر – لاگرانژ و روش اولر- اولر.
روش اولر – لاگرانژ: مدل فاز مجزای لاگرانژی در انسیس فلوئنت از روش اولر – لاگرانژ تبعیت می نماید . در این روش فاز سیال با حل معادلات ناویر – استو کس میانگین زمانی به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود، در حالی که فاز پراکنده با ردیابی تعداد زیادی از ذرات، حباب ها با قطرات از درون میدان جریان مورد محاسبه، حل می شود. فاز پراکنده می تواند ممنتوم، جرم و انرژی را با فاز سیال مبادله نماید. یک فرض اساسی بکار رفته در این مدل این است که فاز ثانویه پراکنده جزء حجمی کمی را اشتغال می نماید. هر چند که میزان بار جرمی زیاد قابل قبول است، مسیر ذرات یا قطرات به صورت یکی یکی و مجزا در فواصل زمانی مشخص در طی چرخش فاز سیال محاسبه می شود.
این فرض مدل حاضر را برای مدلسازی خشک کن های اسپری، احتراق سوخت مایع یا زغال و برخی جریان های بارشده با ذرات مناسب و اما برای مدلسازی مخلوط های مایع – مایع، بسترهای پر شده و هر کاربردی که در آن جزء حجمی فاز دوم صرفنظر نباشد نامناسب می سازد.
روش اولر – اولر: در روش اولر – اولر فازهای متفاوت از نظر ریاضی به صورت دو محیط پیوسته که متقابلا درهم نفوذ می کنند، در نظر گرفته می شوند . از آنجایی که حجم یک فاز نمی تواند به وسیله فاز دیگری اشغال شود، مفهوم جزء حجمی فازی ایجاد می شود. فرض می شود که این جزء حجمی ها توابع پیوسته ای از زمان و مکان هستند و مجموع آنها برابر یک است. قوانین بقاء برای هر فاز جهت به دست آوردن یک دسته معادله که برای همه فازها ساختار مشابهی دارند. نتیجه گیری شده اند.
این معادلات با استفاده از روابطی اساسی که از دانش تجربی حاصل شده اند یا در مورد جریانهای دانه ای با استفاده از تئوری سینتیک بسته می شوند. در نرم افزار انسیس فلوئنت سه مدل مختلف چند فازی اولر – اولر وجود دارد: مدل حجم سیال ، مدل mixture، مدل Eulerian و مدل فاز مجزا.
مدل VOF:
مدل VOF این مدل یک تکنیک مسیر یابی سطح است که در مورد یک مش بندی اولری ثابت، صادق است. این مدل برای دو یا تعداد بیشتری سیال غیر فعال قابل امتراج که موقعیت فصل مشترک بین سیالات مورد توجه قرار می گیرد، طراحی شده است. در مدل VOF یک دسته معادلات ممنتوم مشترک بین همه سیالات وجود دارد و جزء حجمی هریک از سیالات در هر سلول محاسباتی در سرتاسر دامنه دنبال شده است. کاربردهای مدل VOF شامل جریان های لایه لایه، جریان های با سطح آزاد، پر کردن، هم زدن، حرکت حباب های بزرگ در یک مایع، حرکت مایع بعد از شکست سد، پیش بینی فروپاشی جت (کشش سطحی) و دنبال کردن انتقالی یا پایدار هر فصل مشترک مایع – گاز.
فرمولاسیون VOF در انسیس فلوئنت عموما برای محاسبه ی حل های وابسته به زمان استفاده شده است، اما برای مسائلی که صرفا در گیر حل پایدار هستند، امکان انجام یک محاسبه پایدار وجود دارد. محاسبات VOF پایدار فقط وقتی که حل مستقل از شرایط اولیه است و مرزهای داخل جریان مشخص برای فازهای مجزا وجود دارد منطقی است. به عنوان مثال از آنجایی که شکل سطح آزاد داخل یک فنجان چرخان به سطح اولیه سیال بستگی دارد، این چنین مسئله ای باید با استفاده از فرمولاسیون وابسته به زمان حل شود. از طرف دیگر، یک جریان آب داخل یک کانال با لایه های از هوا در بالا و یک ورودی هوای مستقل می تواند با استفاده از فرمولاسیون پایدار حل شود.
مدل mixture:
این مدل برای تعداد دو یا بیشتر فاز(سیال یا ذرات) طراحی شده است. مانند مدل Eulerian با فازهایی به صورت محیط های پیوسته که متقابلا در هم نفوذ می کنند، برخورد می شود. مدل mixture معادله ممنتوم مخلوط را حل می کند و سرعتهای نسبی را برای توصیف فازهای پراکنده در نظر می گیرد. مدلmixture یک مدل چند فازی مختصر شده است که برای مدل جریانهای چند فازی که در آن فازها با سرعتهای متفاوتی حرکت می کنند ولی حالت تعادل محلی را در فاصله مقیاس های طولی فضایی کوتاه به خود می گیرند، مورد استفاده قرار می گیرد. پیوستگی بین فازها باید قوی باشد این مدل همچنین می تواند برای مدل کردن جریان های چند فازی هموژن با اتصال خیلی قوی و حرکت فازها با یک سرعت یکسان به کار رود. مدل mixture می تواند n فاز (سیال یا ذره) را با معادلات انرژی، پیوستگی و مومنتوم برای مخلوط، معادلات جزء حجمی برای فازهای ثانویه و عبارت جبری برای سرعت های نسبی مدل سازی نماید. کاربردهای معمول مدل mixture شامل رسوب سازی، جدا کننده های سیکلون، جریانهای بار شده با ذرات با بارگیری کم و جریان های حبابی که در آن جزء حجمی گاز کم می ماند، می باشد. مدل mixture یک جانشین خوب برای مدل چند فازی انسیس فلوئنت است.
یک مدل چند فازی کامل وقتی که یک توزیع وسیع از فاز ذره ای وجود دارد، یا وقتی که قوانین بین فازی ناشناخته هستند یا اعتبار آنها زیر سوال است، ممکن است مناسب نباشد. یک مدل ساده تر مثل مدل mixture می تواند به همان خوبی مدل چند فازی کامل عمل کند در حالی که تعداد کمتری متغیر را به نسبت مدل چند فازی کامل حل می کند.
مدل Eulerian:
مدل Eulerian پیچیده ترین مدل چند فازی انسیس فلوئنت است. این مدل امکان مدلسازی فازهای چندگانه مجزا اما با تأثیر متقابل را می دهد. فازها می توانند مایع فاز گاز یا جامد، تقریبا در هر ترکیبی باشند با هریک از فازها با دیدگاه اولری برخورد می شود که با دیدگاه اولر – لاگرانژی بکار رفته در مدل فازهای مجزا، متفاوت است. این مدل یک دسته از n معادله ممنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل می کند. کوپلینگ به وسیله فشار و ضرایب مبادله بین فازی انجام شده است. روشی که این کوپلینگ انجام می شود، بستگی به نوع فازهای درگیر دارد. در مورد جریانهای دانه ای (سیال – جامد) به طرز متفاوتی از جریانهای غیر دانه ای (سیال – سیال) اقدام می شود. برای جریانهای دانه ای، خصوصیات از کاربرد تئوری سینتیک به دست آمده است تبادل مونتوم بین فازها نیز وابسته به نوع مخلوطی است که مدل می شود. توابع تعریف شده توسط کاربر در انسیس فلوئنت به کاربر اجازه می دهد که محاسبات مبادله ممنتوم را به دلخواه خود بسازد. با مدل چند فازی Eulerian تعداد فازهای ثانویه فقط به وسیله حافظه مورد نیاز می تواند مدل شود. با این وجود برای جریانهای چند فازی پیچیده حل مسئله ممکن است به وسیله رفتار همگرایی محدود شود. کاربردهای مدل چند فازی Eulerian شامل ستون های حبابی ، لوله های عمودی گاز یا آب، سوسپانسیونهای ذرات و بستری سیاله است.
در مدل Eulerian حل انسیس فلوئنت بر پایه موارد زیر است:
- یک فشار بین همه فازها مشترک است.
- معادلات پیوستگی و ممنتوم برای هر فاز حل می شوند.
- پارامترهای زیر برای فازهای دانه ای در دسترس هستند: • دمای دانه ای ( انرژی نوسانی جامدات ) می تواند برای هر فاز جامد محاسبه شود. این محاسبه بر پایه یک رابطه تجربی است.
- برش فاز جامد و ویسکوزیته های توده ای از کاربرد تئوری سینتیک برای جریانهای دانه ای به دست آورده می شوند.
- چندین تابع ضریب درگ بین فازهای موجود است که برای انواع مختلف رژیم های چند فازی مناسب هستند ( همچنین امکان اصلاح ضریب دراگ بین فازی از طریق توابع تعریف شده توسط کاربر وجود دارد).
همه انواع مدل های توربولنسی ε-k قابل استفاده هستند و ممکن است که در مورد همه فازها یا برای مخلوط به کار روند.
مدل DPM:
مدل DPM برای تعداد دو یا چند فاز (سیال یا ذرات) طراحی شده است. این مدل برای مسیر یابی ذرات کاربرد دارد. مدل فاز پراکنده لاگرانژین در فلوئنت از روش اولر – لاگرانژ تبعیت می کند. فاز سیال به عنوان یک فاز پیوسته رفتار می کند که معادلات ناویر – استو کس متوسط وابسته به زمان برای آن حل می شود، در حالی که فاز پراکنده با ردیابی تعداد زیادی از مسیر حرکت ذرات، حباب ها و یا قطرات در سراسر میدان جریان محاسبه می شود. فاز پراکنده به درون فاز سیال پیوسته تزریق می شود. فاز پراکنده می تواند حرکت، جرم و انرژی با فاز سیال مبادله کند. در این مدل مسیر یابی ذارت و قطرات در چهارچوب لاگرانژین محاسبه می شود و مبادله (کوپل) گرما، جرم و ممنتوم با فاز پیوسته در چهارچوب اولرین انجام می شود. انسیس فلوئنت محدوده وسیعی از مسائل فازهای مجزا، شامل پراکندگی ذرات و دسته بندی آنها، خشک کن پاششی، پراکندگی ذرات معلق مایع و جامد در هوا، هم زدگی مایعات توسط حبابها ، احتراق سوخت مایع، احتراق زغال سنگ را می تواند شبیه سازی کند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان دوفازی گاز-مایع ستون حبابی(bubble column) در نرم افزار انسیس فلوئنت انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس ANSYS SpaceClaim ترسیم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط گذرا (Transient) استفاده شده است.
مدل جریان دوفازی:
مدل جریان دوفازی Mixture استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل جریان آرام استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا و آب می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم PISO استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
