22469

مدل‌سازي چند‌مقياسه فرايند گرانولاسيون در بستر سيال

دكتري

طراحي فرايند

1398-1399

1399/3/12

دكتر محمد امين ثباتي - دكتر سلمان موحدي راد

مهندسي شيمي، نفت و گاز

گرانولاسيون مرطوب بستر سيال (FBWG) از طريق افزايش اندازه ذرات اوليه، محصولات دانه‌اي با تخلخل بالا و توزيع اندازه يكنواخت، توليد مي‌كند. در اين مطالعه، چارچوبي چندمقياسه تلفيق شده، با بكارگيري روش المان گسسته (DEM) و مدل‌سازي موازنه جمعيت (PBM) به همراه اطلاعات ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) و مدل‌هاي مكانيستيك براي مدل‌سازي فرايند FBWG به كار گرفته شده است. پارامترهايي شامل سطح ترشده، تبخير چسب و برخورد بين ذرات در مقياس ميكرو به كار گرفته شده‌اند تا توزيع اندازه ذرات را توسط PBM در مقياس ماكرو پيش‌بيني كنند. براي مدل‌سازي پديده‌هاي ميكرو مقياس، در ابتدا زنجيره‌اي از اتفاق‌هاي محتمل در سطح قطره-ذره و يك نقشه مقياسي از فرايند FBWG بر اساس پديده‌هايي كه در سه مقياس ميكرو، مزو و ماكرو رخ مي‌دهد، ارائه شده است. در بررسي تبخير چسب، ابتدا مدل تحليلي براي تبخير قطره منفرد با استفاده از آناليز انتقال جرم از قطره كروي كه داراي سرعت نسبي نسبت به محيط مي‌باشد و در نظر گرفتن تغيير نرخ تبخير با تغيير قطر قطره، بدست آمده است. در مرحله بعد، مدل تبخير قطره چسبنده از مدل رياضي موجود در مقالات، به كار گرفته شده است. همچنين، مدل تبخير پل مايع از روش انتقال جرم/نفوذ بدست آمده و زمان شكست پل مايع محاسبه شده است. سطح ترشده ذره يا پخش قطره، بر روي احتمال تجمع ذرات در FBWG اثر مي‌گذارد، قطره يا به آرامي پخش مي‌شود (پخش قطره ساكن) يا بر روي سطح برخورد مي‌كند و سپس پخش مي‌شود (پخش برخوردي). پخش قطره ساكن توسط موازنه بين نيروها و در نظر گرفتن تغيير حجم قطره به دليل تبخير، پخش برخوردي با به كار گيري مدل درجه دوم و در نظر گرفتن تبخير چسب و رفتار كلي پخش قطره بر روي سطح توسط شبكه عصبي ناركس مدل شده اند. برخورد بين ذرات توسط كوپل CFD-DEM در سيستم جامد-گاز سه بعدي، شبيه‌سازي و پارامترهاي برخورد توسط پس پردازش خروجي تعيين شده است. انتقال يك طرفه اطلاعات برخوردي و پارامترهاي مكانيستيكي به PBM به كار گرفته شده تا بين اثرات برهم كنش بين ذره-سيال و پارامترهاي فرايندي با توزيع اندازه گرانول‌ها، ارتباط برقرار كند. ارتباط بين مدل‌هاي ميكرو مقياس و PBM از طريق توسعه دو كرنل تجمع و شكست، انجام شده‌ است. در نهايت با مقايسه مدل چندمقياسه با نتايج آزمايشگاهي موجود، ميانگين خطايي در حدود 3/12 درصد در پيش‌بيني قطر متوسط ذرات بدست آمد كه نشان دهنده دقت مناسب مدل ارائه شده در پيش‌‌بيني ديناميك سيستم است.

1399/06/29

Multi-scale modeling of fluidized bed granulation process

6/2/2021 12:00:00 AM

Fluidized bed wet granulation (FBWG) is frequently applied for manufacture of granular products with high porosity and uniform size distribution through size enlargement of primary particles. In this study, a coupled multi-scale framework that utilize the particulate simulations such as Discrete Element Method (DEM) and bulk granulation modeling such as Population Balance Model (PBM) in conjunction with Computational fluid dynamics (CFD) information and mechanistic models has been implemented to model the FBWG. Parameters including wetted area, binder evaporation and collisions between particles, have been considered in micro-scale, which predict granules size distribution by PBM in macro-scale. Initially, for modeling the micro-scale phenomena, both a possible chain of events in the particle/droplet level and a scale map for FBWG based on the phenomena taking place on micro, meso, and macro scale were presented. The binder evaporation has been explored in three situations. First, an analytical model for a single droplet evaporation is derived using mass transfer analysis from a spherical droplet subjected to the relative velocity of drying medium considering evaporation rate changes due to change of droplet diameter. At the next stage, the evaporation model of a sessile droplet is applied from mathematical model is presented in literature. Additionally, liquid bridge evaporation model is developed by mass transfer/diffusion method and its rupture time is computed. Particle wetted surface area or droplet spreading affects the probability of particles aggregation in FBWG. A droplet on the substrate have two different behaviors or slowly spreads (quiescent droplet spreading) or impacts on the substrate and then spreads (impact spreading). The quiescent droplet spreading has been modeled by balancing between forces considering the droplet volume change due to evaporation. The impact spreading has been modeled by applying a second-order model. The general behaviors of droplet spreading over the surface have been modeled simultaneously by a Nonlinear Autoregressive eXogenous Artificial Neural Network (NARX-ANN) model. Collisions between particles have been simulated by a two-way coupled CFD-DEM model in 3D gas-solid system. Collision parameters including collisions frequency, collisions velocity and particles proximity time have been obtained by post-processing of output of CFD-DEM model. A one-way transfer of data from CFD-DEM model and mechanistic parameters (wetted area and binder evaporation) to PBM has been applied to relate the effects of particle-fluid interactions and process parameters such as air flow rate, air temperature, binder spray rate, etc. to the granule size distribution. Links between micro-scale models and PBM create through aggregation and breakage kernels. Finally, by comparing the multiscale model with the available experimental results, an average error of about 12.3% has been obtained, indicating the appropriate accuracy of the proposed model at prediction of the system dynamics.

مدل‌سازي چندمقياسه , گرانولاسيون بستر سيال , مدل پخش , مدل تبخير , شبيه‌سازي برخورد , موازنه جمعيت

Multi-scale modeling , Fluidized bed granulation , Spreading model , Evaporation model , Collision simulation , Population balance