*مسؤول

Transcript

1 83... هيدروديناميك CFD شبيهسازي راکتور هيدروديناميک CFD شبيهسازي ترفتاليک توليد همزندار دوغابي حبابي- تندگويان شهيد پتروشيمي اسيد حيدري امير و * آبادي هاشم حسن سيد پهلواني صادق ايران تهران ايران صنعت و علم دانشگاه شيمي مهندسي دانشکده چهارم و بيست سال 79 شماره صفحه 90/6/26 مقاله: دريافت تاريخ 92/3/12 مقاله: پذيرش تاريخ چكيده نحوه و هيدروديناميکي رفتار بر همزن جهت اثر مقاله اين در پتروشيمي اسيد ترفتاليک واحد راکتور اسپارجرهاي هوادهي اب شبيهسازيها است. گرديده شبيهسازي تندگويان شهيد RNG k-ε اغتشاش مدل اولرين-اولرين چندفازي رويکرد Fluent نرمافزار توسط و بعدي سه ناپايا صورت به براي محدود حجم روش به حاکم معادالت گرفت. انجام شبيهسازي جهت و گرديد حل سيستم محاسباتي دامنه تمام از شد. استفاده چرخان قاب مدل از راکتور در همزن رفتار اسپارجر چهار توسط راکتور پايين از فشرده هواي آنجائيکه با توربيني همزن داد نشان شبيهسازي نتايج ميشود تزريق شدت و حبابها ماند زمان افزايش سبب باالرونده جريان اين انرژي بيشتر همچنين ميشود. راکتور باالي در اختالط صرف آن از کمي مقدار و شده سيال حرکت صرف همزن پايين جريان با توربيني همزن براي ميشود. فازها اختالط خالف در را اسپارجرها از خروجي گاز مايع جريان رونده هدايت راکتور مرکز به را گاز جريان و کرده منحرف جهت ميکند. مكاتبات *مسؤول hashemabadi@iust.ac.ir الكترونيكي آدرس سياالت ديناميک همزندار حبابي-دوغابي راکتور كليدي: واژههاي RNG k-ε اغتشاش مدل دوفازي شبه رويکرد محاسباتي مقدمه صنايع در وسيعي کاربرد حبابي-دوغابي راکتورهاي واکنشهاي و تخمير بيوتکنولوژي قبيل از مختلف سنتز ويژه به زغالسنگ تبديل مانند هتروژن کاتاليستي اين در که مهم واکنشهاي از يکي ]1[. دارند مايع سوخت فيشر-تروپش سنتز واکنش ميشود انجام راکتورها نوع گرفته قرار زيادي توجه مورد اخير سالهاي در که است گسترده طور به مکانيکي دار همزن راکتورهاي ]2[. است دارند کار و سر فازي چند سيستمهاي با که صنايعي در اين صنعتي کاربردهاي از متعددي موارد ميشود. استفاده شده گزارش 1996 سال در شامپ و نيگام توسط راکتورها فاز همزمان پراکندگي کاربردها اين تمام در ]3[. است حياتي امري همزنها توسط جامد ذرات تعليق و گاز اخير سالهاي طي رايانهها قدرت پيشرفت با ]4[. است جريانهاي در محاسبات انجام در CFD تکنيک از استفاده

2 84 شماره Flow Structure Quantification 2. Flow Regime Identification 3. Pseudo-Two-phase Fluid Dynamic 4. Kinetic Theory of Granular Flow 5. Lagrangian Trajectory Analysis چند فازي افزايش يافته است. در سيستمهاي دو فازي مسأله مهم برهمکنشهاي بين دو فاز پراکنده و پيوسته است ]1[. تحقيقات قبلي انجام شده در زمينه راکتورهاي چندفازي به طور کلي بر روي مسائلي مثل کميسازي ساختار جريان 1 و شناسايي رژيم جريان 2 تمرکز داشته است. در اين موارد به مطالعه و بررسي موضوعاتي مانند ماندگي متوسط فازها به صورت کلي و محلي سرعت فازهاي مختلف در شرايط و پارامترهاي عملياتي متفاوت تعيين الگوي جريان و نحوه گذار در رژيم هاي مختلف و توسعه الگوي جريان براي سيستمهاي مختلف پرداخته شده است ]5[. گريواسکات و همکاران ]6[ با استفاده از مدل شبه دوفازي 3 هيدروديناميک جريان را در يک راکتور ستون حبابي سه فازي که فاز گاز به صورت حبابي در سيستم جريان داشت بررسي کردند. آنها مدلي براي توزيع اندازه حباب ارائه کردند که ضمن انطباق مناسب با دادههاي تجربي پيشرفت تطبيقي خوبي نسبت به کارهاي عددي قبلي ايجاد کرد. مجومدار و همکاران ]7[ با هدف بررسي هيدروديناميک جريان در يک راکتور ستون حبابي سه فازي جريان سه فازي در يک ستون عمودي را به صورت دو بعدي و متقارن محوري شبيهسازي نمودند. برخالف کارهاي قبلي آنها از يک مدل اصالح شده بين فاز مايع و ذرات حباب جهت تعيين اثر ذرات جامد روي مخلوط و يک مدل اصالح شده ديگر بين فاز مايع و ذرات جامد جهت تعيين اثر ذرات حباب روي مخلوط استفاده کردند. در واقع هدف ايشان از انجام اين کار ارائه يک مدل جديد براي اصالح نيروي درگ بين ترکيبهاي دو تايي فازها و لحاظ کردن اثر فاز سوم بر روي برهم کنش دو فاز ديگر بود. هم چنين در مدل ارائه شده توسط آنها بر هم کنشهاي بين ذرات جامد با اصالح نيروي درگ اعمال شده بر روي فاز جامد لحاظ گرديد. نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي شامل تغييرات محوري غلظت جامد و تغييرات شعاعي سرعت فازها تطبيق خوبي را نشان داد. جيانپينگ و شانگلين ]8[ با استفاده از مدل شبه دوفازي هيدروديناميک جريان در يک راکتور ستون حبابي سه فازي را بررسي کردند. در اين کار برخالف تحقيق گريواسکات و همکاران ]6[ اثرات بار جرمي جامد و سرعتهاي ظاهري فاز گاز و مايع روي سرعت محوري فاز مايع و ماندگي فاز گاز بررسي شد که نتايج حاصل در مقايسه با دادههاي تجربي سرعت محوري-محلي فاز مايع ماندگي محلي فاز گاز و سرعتهاي ظاهري فاز مايع و گاز حاکي از تطبيق خوب نتايج شبيه سازي بود. در اين کار به دليل سرعت کم جريان فازها تنها نيروي درگ در معادالت مومنتوم وارد شده است. ماتونيس و همکاران ]9[ به بررسي هيدروديناميک جريان در يک راکتور ستون حبابي سه فازي پرداختند. در اين کار از مدل 4 KTGF براي توصيف اغتشاش فاز ذرات استفاده شد. با اين تفاوت که ماتونيس و همکاران با توسعه يک کد CFD براي حل معادالت نوير- استوکس کوپل براي هر فاز شبيهسازي را به صورت سه بعدي و ناپايا انجام دادند. پارامتر اصلي ورودي کد ويسکوزيته فاز پراکنده )به صورت ذرات ريز( ميباشد. در اين کار نيز نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي شامل ترمهاي سرعت و غلظت ذرات تطبيق خوبي دارد. فنگ و همکاران ]10[ با استفاده از مدل شبه دوفازي به شبيهسازي راکتور ستون حبابي سه فازي به صورت سه بعدي در شرايط پايا و ناپايا پرداختند. آنها از يک کد CFD به منظور گسستهسازي معادالت ديفرانسيل حاکم بر سيستم که شامل نيروهاي درگ ليفت و جرم مجازي ميباشد استفاده کردند. بررسي اثر پارامترهاي عملياتي بر تغييرات محوري پروفايل ماندگي فاز گاز و سرعت محلي فاز مايع در اين کار بررسي شد که نتايج حاصل تطبيق خوبي با دادههاي تجربي داشت. ژانگ و احمدي ]11[ به منظور بررسي ساختار جريان و نحوه تغييرات الگوي جريان با تغيير اندازه حبابهاي گاز در يک راکتور ستون حبابي سه فازي از آناليز رديابي الگرانژ 5 جهت بررسي هيدروديناميک جريان بهره گرفتند. شبيهسازي به صورت دو بعدي ناپايا و همراه با لحاظ کردن نيروهاي درگ شناوري ليفت و جرم مجازي در معادله مومنتوم فاز گسسته انجام شد. در اين کار به منظور گسستهسازي معادالت فازهاي مايع گاز و جامد به ترتيب

3 85... هيدروديناميك CFD شبيهسازي شد. استفاده کاتا رانج و اولر محدود تفاضل روشهاي از و ذره-ذره کنشهاي برهم توصيف منظور به همچنين بودن کروي فرض با سخت کره مدل از حباب حباب- شد. استفاده آنها شکل گوناگوني بودن ناچيز و حبابها دهنده نشان تجربي دادههاي با شبيهسازي نتايج مقايسه است. شبيهسازي نتايج خوب تطبيق واسط شيميايي مواد مهمترين از يکي )TPA( ترفتاليک اسيد براي اوليه ماده عنوان به که ميباشد پتروشيمي صنعت در مهمترين ميشود. استفاده )PET( ترفتاالت اتيلن پلي توليد پارا اکسايش واکنش ترفتاليک اسيد توليد تجاري فرآيند ميباشد. باال فشار و دما در مايع فاز در هوا وسيله به زايلن مايع جامد فاز سه هر حضور و فرآيند پيچيدگي دليل به شبيهسازي فرآيند اين در شيميايي ترکيبات تنوع و گاز و کار در ميرسد. نظر به الزم راکتور عملکردي مطالعات و دوغابي حبابي- راکتور يک بررسي مورد سيستم حاضر و تيغهاي بافل چهار توربيني همزن يک شامل همزندار بررسي هدف با لذا ميباشد. انحنادار لولهاي اسپارجر چهار بر همزن چرخش اثر در شده ايجاد جريان الگوي تأثير اولرين اولرين- رويکرد از اسپارجرها هوادهي نحوه است ذکر به الزم ميشود. استفاده دوفازي شبه مدل و مقياس در شبيهسازي انجام حاضر کار قوت نقاط از يکي ميباشد. صنعتي CFD مدلسازي لذا است صنعتي و 1 بزرگ مقياس فعلي سيستم که آنجا از شبيهسازي زمان تا ميشود استفاده دوفازي شبه مدل از در يابد. کاهش سيستم محاسباتي هزينه آن متعاقب و فاز يک عنوان به جامد ذرات با همراه مايع فاز مدل اين در مايع( )جامد- مخلوط ويسکوزيته و دانسيته با همگن جامد ذرات حجمي بار درصد هرگاه ميشود. گرفته نظر ميتوان باشد نزديک هم به راکتور در موجود سيال و قطر چه هر همچنين کرد. استفاده دوفازي شبه مدل از جامد فازهاي بين دانسيته اختالف و ريزتر جامد ذرات منطقيتر دوفازي شبه مدل از استفاده باشد کمتر مايع و و مايع فاز دو مخلوط حالت اين در که چرا است. نزديک بسيار رفتارش و دارد مناسبي همگني جامد فازهاي دانسيته است. فازي تک مخلوط يک رفتار به 1050 kg/m 3 و 1400 kg/m 3 ترتيب به مايع و جامد لذا ميباشد. %40 مايع و جامد فازهاي حجمي درصد و شبه مدل از محاسباتي هزينه کاهش منظور به کار اين در بررسي مورد سيستم بنابراين است. شده استفاده دوفازي مايع حاوي راکتور است. فازي دو دار همزن راکتور يک لولهاي اسپارجرهاي توسط )هوا( گاز فاز و بوده )دوغاب( جدول در فازها مشخصات ميشود. وارد مخزن پايين از است. شده داده 1 فازها فيزيکي خواص 1- جدول خاصيت گاز فاز مايع فاز )kg/m 3 ( دانسيته 17/3 980/8 )Pa. s( ويسکوزيته 0/ / ممنتوم و پيوستگي معادله اولرين- رويکرد از چندفازي جريان شبيهسازي منظور به عنوان به پراکنده فاز هر ديدگاه اين در شد. استفاده اولرين معادالت حل در فازها تمام و ميکند رفتار پيوسته فاز يک مدل اين در هستند. سهيم فاز آن حجمي کسر اندازه به حجم در α( k k ا) فاز از حجمي جزء يک که ميشود فرض طور به اگر دارد وجود خاص زمان هر در فضا از کوچکي به فاز هر براي پيوستگي معادله باشيم داشته فاز n کل ]8[: است زير شکل )1( )2( سرعت بردار u حجمي کسر α دانسيته ρ فوق معادله در در که ميباشد ام k فاز به p فاز از جرم انتقال نرخ S pk و ام k فاز براي مومنتوم معادله است. صفر آن مقدار کار اين ]8[: ميشود نوشته زير شکل به )3( فازهاي و k فاز بين مشترک سطح در مومنتوم تبادل ترم F k ميباشد. سيستم در موجود ديگر 1. Large Scale

4 86 شماره 79 F k در بر اگر از انتقال جرم بين فازها صرف نظر شود گيرنده نيروهاي درگ نيروي باالبرنده 1 نيروي شناوري گرانش سانتريفيوژ و جرم مجازي ميباشد ]9[. بر اساس گزارشات موجود ]14-12[ به جز نيروي درگ ساير نيروهاي بين فازي تاثير محسوسي در برهمکنشهاي بين فازي در رفتار هيدروديناميک مخازن همزندار ندارند ]4[. لذا در اين کار فقط نيروي درگ در معادالت مومنتوم وارد F k فقط شامل نيروي درگ شده است. بنابراين در رابطه 3 ميباشد که از رابطه زير حاصل ميشود. )4( F D تابع درگ 2 است و براي مدلهاي مختلف ضريب درگ C D ضريب درگ تعريفهاي متفاوتي دارد. در اين رابطه است كه با استفاده از روابط تجربي بهدست ميآيد ]15[. Re d به صورت زير محاسبه ميگردد: همچنين عدد رينولدز V و d )5( d P قطر ميانگين ذرات فاز پراکنده در اين رابطه v c V به ترتيب بردار سرعت فازهاي پراکنده و پيوسته و c ويسکوزيته سينماتيک فاز پراکنده ميباشد ]15[. در اين کار از مدل شيلر- نيومن 3 به منظور پيش بيني ضريب درگ بين فازي استفاده شده است ]16[. رابطه مربوط به اين مدل به صورت زير ميباشد: تقسيم ميشوند. تفاوتهاي اساسي اين مدل ها در روش يافتن ويسكوزيته درهم اعداد پرانتل حاكم بر نفوذ اغتشاش در معادالت انرژي جنبشي )k( 6 معادله تلفات انرژي )ε( 7 و جمالت توليد و اتالف انرژي در معادله ε ميباشد [ 16 و 17[. در اين شبيهسازي از مدل -k ε اRNG استفاده شده است. معادالت اصلي در اين مدل همان معادالت نسخه استاندارد ميباشد كه با استفاده از تئوري گروه اصالح شده است. اهم اين تصحيحات عبارتند از: - اضافه شدن يك ترم به معادله ε جهت بهبود دقت محاسبات براي جريانات تحت تنش زياد - اعمال تاثيرات چرخش سيال بر روي اغتشاش جهت افزايش دقت محاسبات در جريان هاي چرخشي - استفاده از يك رابطه تحليلي جهت محاسبه اعداد پرانتل - استفاده از رابطهاي تحليلي جهت محاسبه ويسكوزيته موثر سيال جهت اعمال تأثيرات نواحي داراي رينولدز كوچك و نزديك به ديواره اين تصحيح در سيستمهاي متقارن سياالت چرخشي و جريانات سه بعدي استفاده ميشود. از آنجا که جريان سيال در سيستم حاضر به صورت چرخشي با اغتشاشات دوراني زياد ميباشد در اين کار از مدل -k ε اRNG استفاده شده است. 1. Lift Force 2. Drag Function 3. Schiller-Neumann 4. Realizable 5. Re-Normalization Group (RNG) 6. Turbulent Kinetic Energy 7. Dissipation Rate )6( الزم به ذکر است که اين ضريب درگ براي ذرات جامد و سيالي توصيه شده است که به اندازه کافي کوچک هستند و ميتوان از تغيير شکل آنها صرفنظر نمود. اين شرايط بر فرضيات مسأله حاضر منطبق است. معادالت اغتشاش يکي از مسائل مهم در شبيهسازيهاي چند فازي مدل کردن اثرات آشفتگي جريان ميباشد. در اين شبيهسازي از مدل اغتشاش k-ε براي بررسي پديده آشفتگي در سيستم استفاده شده است ]15[. در اين قسمت به بررسي اجمالي مدل اغتشاش مورد استفاده در اين کار ميپردازيم. مدلهاي k-ε به سه مدل استاندارد واقعي شده 4 وRNG 5 مشبندي شرايط مرزي و مدلهاي حل سيستم مورد بررسي يک راکتور حبابي- دوغابي همزن دار با کف انحناءدار با قطر 5/2 m و ارتفاع 5/275 m است. راکتور شامل يک همزن توربيني با چهار تيغه مورب چهار بافل تيغهاي و چهار اسپارجر لولهاي انحنادار ميباشد. مطابق شکل 1 بافلها به صورت متقارن در فواصل 90 درجه از هم در کنار ديواره جانبي راکتور قرار دارند. محور همزن در مرکز راکتور و اسپارجرهاي لولهاي در بخش پاييني راکتور در زير همزن قرار گرفته است.

5 87 شبيهسازي CFD هيدروديناميك... ب الف ج شکل - 1 شماي راکتور همزندار الف( ساختار هندسي سيستم ب( نماي فوقاني راکتور در حالت مشبندي شده و ج( نحوه مشبندي کل سيستم جدول 3- مشخصات مشبنديها متوسط نسبت k-ε تعداد سلول نوع مش /080 1/2 مش نوع /115 2/1 مش نوع /121 3/4 مش نوع 3 شرايط مرزي مورد استفاده براي سطوح جانبي راکتور همزن بافلها و اسپارجرها به صورت مرز ديواره غير لغزشي است و براي دهانه اسپارجرهاي هوا شرط مرزي ورودي جريان جرمي در نظر گرفته شد. در باالي سطح مايع يک ناحيه کوچک گاز تعريف شد که براي دهانه بااليي آن از شرط مرزي خروجي جريان استفاده گرديد. قطر متوسط حبابهاي هوا 2 mm تعيين شد و به منظور گسستهسازي معادالت حاکم بر سيستم از رويکرد QUICK و جهت حل معادالت گسسته از الگوريتم SIMPLE استفاده شد. به دليل اغتشاش بسيار زياد جريان پس از گذشت مدت زماني از شبيهسازي فاز مايع از مخزن خارج ميشود. ماهيت فاز مايع به گونهاي است که بايد مقدار مايع درون سيستم ثابت بماند. لذا به منظور برقراري موازنه جرم مايع )عدم خروج مايع( از يک UDF استفاده شد. به عبارت ديگر بر روي ديواره جانبي مخزن يک ورودي جريان جرمي مايع ايجاد شد و با استفاده از کد CFD مقدار جرم مايع خروجي از باالي راکتور در هر لحظه محاسبه گرديد. سپس همين مقدار مايع به صورت لحظهاي از طريق ورودي مذکور به سيستم تزريق شد تا مقدار جرم مايع هندسه سيستم مذکور در محيط نرم افزار Gambit ساخته شد. مشخصات هندسي سيستم در جدول 2 ارائه شده است. جدول 2- مشخصات هندسي سيستم پارامتر مقدار (m) 5/200 قطر راکتور 5/275 ارتفاع راکتور 2/600 قطر همزن 1/725 ارتفاع همزن از کف راکتور 0/1524 قطر داخلي اسپارجر 1/725 ارتفاع اسپارجر از کف راکتور به منظور مشبندي سيستم از مش شش وجهي مکعبي استفاده شد. اين مش ترکيبي از مشهاي ساختاريافته و غيرساختاري ميباشد که براي هندسههاي پيچيده مورد استفاده قرار ميگيرد. تراکم مش بندي در نواحي نزديک همزن بافلها و اطراف اسپارجرها به دليل اختالط شديد جريان گراديان باالي متغيرها و تشکيل گردابهها و نواحي مرده احتمالي بيشتر در نظر گرفته شد. همچنين جهت بررسي استقالل نتايج از تعداد مش در هر مورد از شبيهسازيها مش بندي موجود ريزتر شده و شبيهسازي دوباره تکرار شده است. بر اساس متوسط -k ε در کل حجم راکتور كه به عنوان معيار نسبت در جدول 3 ارائه شده مشاهده ميگردد که نتايج مش نوع 2 و 3 نسبت به يکديگر اختالف کمي دارند. بنابراين براي محاسبات بعدي از مش نوع دوم استفاده شده است.

6 88 شماره Multiple Reference Frame 2. Rotating Reference Frame 3. Stationary Reference Frame درون مخزن ثابت بماند. معادالت حاکم به روش حجم محدود براي تمام دامنه محاسباتي سيستم حل شد و جهت 1 شبيهسازي رفتار دوراني همزن از مدل قاب چرخان استفاده شد. در اين روش دامنه محاسباتي به دو بخش ناحيه دوراني 2 و ناحيه ساکن 3 تقسيم ميشود. تمام شبيهسازيها به صورت ناپايا سه بعدي و توسط نرم افزار Fluent انجام شد. بحث و بررسي اعتبارسنجي مدلها هدف از انجام شبيهسازي در اين قسمت اعتبار سنجي نتايج شبيهسازي از طريق مقايسه آن با نتايج گزارش شده توسط آبين و همکاران ]18[ ميباشد. شماي هندسي مخزن مورد نظر در شبيهسازيها در شکل 2 نشان داده شده است. در اين شبيهسازي از مدل اولرين- اولرين براي بررسي رفتار فازها و از مدل -k ε استاندارد براي شبيهسازي جريان آشفته استفاده شده است. ساير معادالت مدلها و شرايط شبيهسازي همانند کار حاضر ميباشد. شکل 2- شماي هندسي راکتور ]4[ مطابق شکل 2 سيستم مورد بررسي يک راکتور حبابي همزندار با کف انحنادار ميباشد. راکتور شامل يک همزن توربيني شش تيغهاي چهار بافل تيغهاي و يک اسپارجر حلقوي است. بافلها به صورت متقارن در فواصل 90 درجه از هم در کنار ديواره جانبي راکتور قرار دارند. محور همزن در مرکز راکتور و اسپارجر حلقوي در پايين همزن قرار گرفته است. مشخصات هندسي راکتور ]18[ در جدول 4 آمده است. جدول 4- مشخصات هندسي سيستم ]18[ مقدار (m) پارامتر 190 قطر راکتور 210 ارتفاع راکتور 95 قطر همزن 300 دور همزن 63 ارتفاع همزن از کف راکتور 76 قطر اسپارجر 38 ارتفاع اسپارجر از کف راکتور 190 ارتفاع مايع در راکتور آبين و همکاران توزيع سرعت را با روش PIV براي حالتي که همزن با سرعت 300 rpm ميچرخد و گاز با عدد هوادهي 0/01 از طريق اسپارجر حلقوي وارد مايع ميشود بهدست آوردند. مطابق شكلهاي 3 و 4 پروفايل سرعت محوري مايع در راستاي شعاع بيبعد مخزن به ترتيب در دو ارتفاع 3/61 cm و 5/89 cm از کف مخزن ترسيم شده است. در اين شكلها دادههاي تجربي آبين و همکاران ]18[ با نقاط گسسته نشان داده شده است و منحنيهاي خط پيوسته و نقطه چين به ترتيب مربوط به نتايج شبیهسازی مورتي و همکاران ]4[ و کار حاضر ميباشد. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد که روند تغييرات شعاعي پروفايل سرعت محوري مايع در هردو مقطع داراي انطباق قابل قبولي با دادههاي تجربي است. بنابراين رويکرد و مدلهاي استفاده شده در اين شبيهسازي به خوبي رفتار سيستم را پيشبيني ميکند. لذا از همين مدلها براي شبيهسازي سيستم مورد نظر )راکتور صنعتي( استفاده گرديد. در جدول 5 مقادير خطاي حاصل از شبيهسازيهاي انجام شده مشاهده ميشود. تأثير جهت چرخش همزن يکي از پارامترهايي که در اختالط جريان نقش مهمي بازي ميکند جهت جريان سيال شامل جريان باالرونده و جريان پايين رونده ميباشد.

7 89 شبيهسازي CFD هيدروديناميك... شبيهسازی مورتی و همکاران ]4[ دادههای تجربی آبین و همکاران ]18[ شبيهسازی فعلی شکل 3- پروفايل سرعت محوري مايع در مقطع افقي z=0.0361(m( دادههای تجربی آبین و همکاران ]18[ شبيهسازی مورتی و همکاران ]4[ شبيهسازی فعلی (U/Utip) سرعت محوری بیبعد (U/Utip) سرعت محوری بیبعد 0/10-0/00-0/10-0/20 0/0 0/2 0/4 0/6 0/8 10 شعاع بیبعد مخزن )r/r( 0/40 0/30 0/20 0/10 0/00-0/10-0/20-0/30-0/40-0/50 0/0 0/2 0/4 0/6 0/8 10 شکل 4- پروفايل سرعت محوري مايع در مقطع افقي )m) =z جدول 5- مقادير خطاي موجود در شبيهسازيها حالت شبيهسازي RSME: z=0.0361(m) z=0.0589(m) RSME: شبيهسازي مورتي و همکاران ]5[ 0/006 0/019 0/007 0/027 شبيهسازي حاضر از آنجا که همزن مورد استفاده در شبيهسازي از نوع توربيني با تيغههاي مورب است به منظور تعيين جهت جريان کافي است که جهت چرخش همزن تغيير يابد. لذا شبيهسازي براي دو حالت چرخش ساعتگرد و چرخش پادساعتگرد انجام گرفت. در شكل 5 کانتورهاي کسر حجمي فاز گاز در صفحه افقي گذرنده از وسط پروانه براي همزنهاي ساعتگرد و پادساعتگرد رسم شده است. همچنان که در اين شکل ديده ميشود براي حالت جريان باالرونده به دليل اينکه جهت چرخش همزن در راستاي خروجي گاز از اسپارجرهاست گاز در همان راستايي که از دهانه اسپارجر شعاع بیبعد مخزن )r/r( خارج ميشود حرکت کرده و به سمت کنارههاي راکتور جريان مييابد. اما در حالت جريان پايين رونده به دليل اين که جهت چرخش همزن خالف جهت ورود گاز است عمال جريان مايع گاز خروجي از اسپارجرها را در خالف جهت منحرف کرده و جريان گاز را به مرکز راکتور هدايت ميکند. اين مسأله در شکل 6 به طور واضح مشخص است. مطابق شکل ديده ميشود که جهت بردارهاي سرعت گاز در دهانه خروجي اسپارجر براي جريان پايين رونده از مسير مستقيم خود منحرف شده است.

8 90 شماره 79 الف 1/00 0/90 0/80 0/70 0/60 0/50 0/40 0/30 0/20 0/10 0/00 1/00 0/90 0/80 0/70 0/60 0/50 0/40 0/30 0/20 0/10 0/00 ب Y z x Y z x كسر حجمي كسر حجمي شکل 5- کانتورهاي کسر حجمي فاز گاز در صفحه افقي گذرنده از وسط همزن و اسپارجرها: الف( جريان باالرونده: )ب( جريان پايين رونده 30/5 25/5 20/5 15/5 10/5 5/50 Y 0/00 z x الف سرعت محور )m/s( 30/5 25/5 20/5 15/5 10/5 5/50 Y 0/00 z x ب سرعت محور )m/s( شکل -6 بردارهاي سرعت )m/s( فاز گاز در صفحه افقي گذرنده از وسط همزن و اسپارجرها: )الف( جريان باالرونده )ب( جريان پايين رونده در شکل 7 بردارهاي سرعت در صفحه عمودي گذرنده از وسط پروانه )0/0=y( براي همزن باالرونده و پايين رونده در مخزن رسم شده است. همزن پادساعتگرد جريان مايع را از مرکز به سمت پايين مخزن حرکت داده و تنها يک گردابه چرخشي در زير همزن ايجاد ميکند. در مقابل همزن ساعتگرد جريان مايع را از مرکز به سمت باالي مخزن به سمت سطح آزاد حرکت داده و يک گردابه چرخشي در باالي همزن ايجاد مينمايد. بنابراين طول مسير حرکت مايع و تعداد تغييرات جهت حرکت مايع براي همزن با جريان باالرونده در مقايسه با همزن با جريان پايين رونده بيشتر است. لذا براي اين همزن بيشتر انرژي همزن صرف حرکت سيال شده و مقدار کمي از آن صرف اختالط فازها ميشود. در شکل 8 نمودار تغييرات سرعت محوري مخلوط فازها در دو مقطع افقي در باال و پايين همزن براي دو جريان باالرونده و پايين رونده رسم شده است. همانگونه که مشاهده ميشود در هر دو حالت با دور شدن از محور مرکزي مخزن ابتدا سرعت افزايش يافته و با نزديکي به ديوارهها کاهش مييابد. در مقطع فوقاني همزن در کليه فواصل شعاعي مقدار سرعت محوري براي حالت جريان باالرونده بيشتر از حالت جريان پايين رونده است. برعکس در مقطع تحتاني همزن در کليه فواصل شعاعي مقدار سرعت محوري براي حالت جريان باالرونده کمتر از حالت جريان پايين رونده است. در صورت استفاده از همزن ساعتگرد جريان گاز خروجي از اسپارجرهاي هوا به دليل حرکت باالرونده مايع به سمت باال حرکت کرده و همراه جريان مايع يک مسير حلقوي )گردابه چرخشي( را طي ميكند. سپس به پايين همزن حركت كرده و از آنجا به سمت باالي مخزن صعود ميكند.

9 91 شبيهسازي CFD هيدروديناميك... الف الف ب 12/0 11/0 10/0 9/00 8/00 7/00 6/00 5/0 4/0 3/0 2/00 z 1/00 Y 0/00 x 12/0 11/0 10/0 9/00 8/00 7/00 6/00 5/0 4/0 z 3/0 2/00 z Y 1/00 0/00 Y x شکل - 7 بردارهاي سرعت )m/s( فاز گاز در صفحه عمودي گذرنده از وسط همزن: )الف( جريان باالرونده )ب( جريان پايين رونده جریان باال رونده )همزن ساعتگرد( جریان پایین رونده )همزن ساعتگرد( صفحه افقی زیر همزن شعاع مخزن )m( ب جریان باال رونده )همزن ساعتگر( جریان پایین رونده )همزن پاد ساعتگر( 5 4 شعاع مخزن )m( صفحه افقی باالی همزن سرعت محوری )m/s( سرعت محوری )m/s( شکل 8- سرعت محوري در راستاي شعاع مخزن در دو صفحه افقي در باال و پايين همزن )الف( زير همزن )m 0.0=z( و )ب( باالي همزن m( )z=0.9

10 79 شماره 92 پادساعتگرد همزن جريان شبيهسازي در که حالي در سمت به مايع رونده پايين حرکت اثر در گاز حبابهاي ميرود. مخزن باالي سمت به آنجا از و كرده حرکت پايين جريان حالت در گاز فاز حرکت مسير طول بنابراين حبابهاي ماند زمان که معنا اين به است. بيشتر باالرونده فراموش نبايد ديگر طرف از ميباشد. بيشتر سيستم در گاز )جريان پادساعتگرد همزن از استفاده صورت در که کرد تجمع مخزن کف بودن انحناءدار دليل به رونده( پايين بيشتر مخزن( )مرکز همزن محور نزديک نواحي در گاز فاز اين در گاز جريان بيشتر ماندگي معني به كه بود خواهد است. منطقه بر فازها مخلوط زاويهاي سرعت تغييرات نحوه نيز شکل 9 در همانطور است. شده داده نشان مخزن شعاع تغييرات حسب محور از گرفتن فاصله با حالت دو هر در ميشود مشاهده که آنجا از مييابد. کاهش سپس و افزايش ابتدا سرعت مخزن است همديگر مخالف حالت دو در سيال حرکت جهت که بود. خواهد متفاوت حالت دو اين براي سرعت عالمت ساعتگرد( )همزن رونده باال جریان همزن محور از گذرنده صفحه )m/s( زاويه ای سرعت )m( مخزن شعاع 1.5=z m ارتفاع در مخزن شعاع راستاي در زاويهاي سرعت 9- شکل 3 سرعت است مثبت باالرونده سرعت که جايي يعني تغييرات روند اما عکس. بر و است منفي رونده پايين و است يكديگر مشابه حالت دو براي زاويهاي سرعت باالرونده )جريان همزن دو که است آن معناي به اين رفتاري زاويهاي چرخش ميزان نظر از رونده( پايين و تنش و سرعت تغييرات مقايسه براي دارند. هم مشابه سطحي وزني- متوسط محوري جهت در متوسط برشي ده در افقي سطوح روي بر برشي تنش و سرعت مقادير شده درج 10 شکل در نتايج و محاسبه مختلف ارتفاع است. متوسط ميشود مشاهده 10 شکل در که همانگونه مقاطع براي مخزن مختلف ارتفاعهاي در کل سرعت است رونده پايين جريان که حالتي در همزن زير جريان براي همزن باالي مقاطع براي و ميباشد بيشتر که ميشود ديده شکل مطابق است. بيشتر رونده باال هر براي ميانگين برشي تنش همزن نزديک نقاط در در اما است. نزديک هم به تقريبا جريان حالت دو با همزن براي کميت اين همزن از دور ارتفاعهاي همزن ديگر عبارت به ميباشد. بيشتر باالرونده جريان متوسط برشي تنش افزايش باعث باالرونده جريان با شدت که ميگردد سبب و شده راکتور باالتر سطوح در در شكل مطابق شود. بيشتر راکتور باالي در اختالط بهتر همزن زيرين قسمت در اختالط رونده پايين جريان ميشود. انجام باالرونده جريان از

11 93 شبيهسازي CFD هيدروديناميك... ب جریان باال رونده )همزن ساعتگرد( جریان پایین رونده )همزن پادساعتگرد( 5/0 4/5 4/0 3/5 3/0 2/5 2/0 1/5 1/0 0/5 الف 0/0 0/0 0/5 1/0 1/5 2/0 2/5 ارتفاع راکتور )z( جریان باال رونده )همزن ساعتگرد( جریان پایین رونده )همزن پادساعتگرد( 0/30 0/25 0/20 0/15 0/10 0/05 0/00 0/0 0/5 1/0 1/5 2/0 2/5 ارتفاع راکتور )z( شکل 10- الف( سرعت محوری و )ب( تنش برشي متوسط در جهت ارتفاع راکتور سرعت محوری )m/s( تنش برشی متوسط )Pa( نتيجهگيري در اين کار يک مخزن حبابي- دوغابي همزندار دوفازي با رويکرد اولرين- اولرين و مدل اغتشاش RNG k-ε توسط نرمافزار Fluent شبيهسازي شد. نتايج حاصل از شبيهسازي نشان داد: در حالت جريان پايين رونده به دليل اين که جهت چرخش همزن خالف جهت ورود گاز است عمال جريان مايع گاز خروجي از اسپارجرها را در خالف جهت خروجي منحرف کرده و جريان گاز را به مرکز راکتور هدايت مينمايد. طول مسير حرکت مايع و تعداد تغييرات جهت حرکت مايع براي همزن با جريان باال رونده در مقايسه با همزن با جريان پايين رونده بيشتر است. لذا براي اين همزن بيشتر انرژي همزن صرف حرکت سيال شده و مقدار کمي از آن صرف اختالط ميشود. طول مسير حرکت فاز گاز در حالت جريان باال رونده بيشتر است بنابراين زمان ماند حبابهاي گاز در سيستم بيشتر ميباشد. لذا در اين حالت زمان براي انجام پديدههاي انتقال جرم حرارت و مومنتوم بيشتر ميباشد. در صورت استفاده از همزن پادساعتگرد )جريان پايين رونده( به دليل انحناءدار بودن کف مخزن تجمع فاز گاز در نواحي نزديک محور همزن )مرکز مخزن( بيشتر خواهد بود كه به معني ماندگي بيشتر جريان گاز در اين منطقه ميباشد. همزن با جريان باالرونده باعث افزايش تنش برشي متوسط در سطوح باالتر راکتور شده و سبب افزايش شدت اختالط در باالي راکتور ميگردد. قدرداني و تشکر بدينوسيله از حمايت مالي شرکت پتروشيمي شهيد تندگويان جهت انجام مطالعه حاضر تشکر ميشود.

12 94 شماره 79 مراجع [1]. Schallenberg J., En J. H. and Hempel D. C., The important role of local dispersed phase hold-ups for the calculation of three-phase bubble columns, Chemical Engineering Science 60, pp , [2]. Swart J. W. A. and Krishna R., Simulation of the transient and steady state behavior of a bubble column slurry reactor for Fischer Tropsch synthesis, Chemical Engineering and Processing 41, pp , [3]. Nigam K. D. P. and Schumpe A., Three-phase sparged reactors, Gordon and Breach Science Publishers, [4]. Murthy B. N., Ghadge R. S. and Joshi J. B., CFD simulations of gas liquid solid stirred reactor: Prediction of critical impeller speed for solid suspension, Chemical Engineering Science 62, pp , [5]. Panneerselvam R. and Savithri Surender S., G. D., CFD simulation of hydrodynamics of gas-liquid-solid fluidised bed reactor, Chemical Engineering Science 64, pp , [6]. Grevskott S., Sanns B. H., Dudukovic M. P., Hjarbo K. W. and Svendsen H. F., Liquid circulation, bubble size distributions, and solids movement in two-and three-phase bubble columns, Chemical Engineering Science 51, , [7]. Mitra-Majumdar D., Farouk B. and Shah Y. T., Hydrodynamic modeling of three-phase flows through a vertical column, Chemical Engineering Science 52, pp , [8]. Jianping W. and Shonglin X., Local hydrodynamics in a gas liquid solid three-phase bubble column reactor, Chemical Engineering Journal 70, pp , [9]. Matonis D., Gidaspow D. and Bahary M., CFD simulation of flow and turbulence in a slurry bubble column, A.I.Ch.E. Journal 48, pp , [10]. Feng W., Wen J., Fan J., Yuan Q., Jia X. and SunY., Local hydrodynamics of gas liquid nanoparticles threephase fluidization, Chemical Engineering Science 60, pp , [11]. Zhang X. and Ahmadi G., Eulerian Lagrangian simulations of liquid gas solid flows in three-phase slurry reactors, Chemical Engineering Science 60, , [12]. Ljungqvist M. and Rasmuson A., Numerical simulation of the two phase flow in an axially stirred reactor,transactions of the Institution of emical Engineers 79,533, [13]. Montante G., Micale G., Magelli F., and Brucato A., Experiments and CFD predictions of solid particle distribution in a vessel agitated with four pitched blade turbines, Transactions of the Institution of Chemical Engineers71, , [14]. Khopkar A. R., Rammohan A. R., RanadeV. V. and Dudukovic M. P., Gas liquid flow generated by a Rushton turbine in stirred vessel: CARPT/CT measurement and CFD simulations. Chemical Engineering Science 60, 2215, [15]. Versteeg H. K. and Malalasekera, W., An introduction to computational fluid dynamics, The finite volume method, Longman Science & Technical, England -> 15, 1995 [16]. FLUENT 6.1, User s Manual to FLUENT 6.1, Fluent Inc., Centrera Resource Park, 10 Cavendish Court, Lebanon, USA, [17]. Spalart P. and Allmaras S., A one-equation turbulence model for aerodynamic flows, Technical Report AIAA , American Institute of Aeronautics and Astronautics, [18]. Aubin J., Le Sauze N., Bertrand J., Fletcher D. F. and Xuereb C., PIV measurements of flow in an aerated tank stirred by a down-and an up-pumping axial flow impeller, Experimental Thermal and Fluid Science 28, pp , 2004.