25914

شبيه‌سازي CFD اختلاط و تحليل حرارتي رآكتورهاي هم زده صنعتي دوغابي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1399-1400

02/09/1400

دكتر سيد حسن هاشم ابادي

مهندسي شيمي نفت و گاز

امروزه استفاده از تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي در شبيه‌سازي فرايندها از جمله اختلاط بسيار كاربردي شده است. در اين ميان اختلاط فازهاي مختلف در رآكتورهاي همزن‌دار از اهميت فوق‌العاده‌اي برخوردار است. در اين تحقيق از مدل قاب چرخان براي شبيه‌سازي استفاده شده است. بر طبق نتايج حاصل از شبيه‌سازي براي استفاده از اين مدل ابعاد بهينه ناحيه چرخان از افزايش 60% قطر و ارتفاع پروانه براي پروانه 6 تيغه راشتون دوتايي استاندارد به دست مي‌آيد. از انجام شبيه سازي مشخص گرديد توان مصرفي و ميزان پمپاژ سيال در پروانه بالايي از پروانه پاييني بيشتر است. هم چنين مشخص گرديد در طراحي فاصله بين دو پروانه، الگوي موازي بيشترين و الگوي جمع شده كمترين مقدار توان مصرفي را دارند. در بهينه‌سازي متغيرهاي فرايندي نتيجه شد با افزايش سرعت چرخش و دبي گاز مي‌توان اختلاط را سريعتر و با توان مصرفي كمتري انجام داد. اما اين افزايش داراي محدوديت مي‌باشد. افزايش سرعت بايستي تا حدي انجام شود كه سيال درون رآكتور به‌واسطه چرخش زياد به بيرون نشت نكند. هم چنين دبي گاز بايستي تا حدي افزايش يابد كه بر اساس نقشه الگو جريان، شرايط براي اختلاط كامل مهيا باشد. با توجه به اين نكات متغييرهاي بهينه فرآيندي(Q_g=0.3605 l/s N=226.61 RPMو ) مي باشند. فرايند افزايش مقياس براي افزايش 8 برابري حجم با ثابت درنظرگرفتن عدد توان مصرفي، عدد رينولدز و عدد جريان (Re=71000 , N_P=9.125)انجام گرديد. بهبود كيفيت اختلاط به‌واسطه افزايش مقياس در سيستم تغييري بود كه مشاهده شد. سيستم از نظر حرارتي مورد بررسي قرار گرفت. با مشاهده فراهم بودن امكان انجام واكنش در سرتاسر سيستم مقدار146.2kW/m3 به عنوان ترم چشمه حرارتي در سيستم اعمال گرديد. نتايج مشخص نمود به‌واسطه همگني سيستم از نظرهيدروديناميكي، از حيث حرارتي نيز همگن است. دو مكانيزم ژاكت و مبدل حرارتي براي تخليه حرارت از سيستم استفاده گرديد. شبيه‌سازي نشان داد ژاكت و مبدل حرارتي دماي سيستم را در 365.47K و338.8 K تثبيت كرده اند. باتوجه‌به دماي عملياتي مورد نظر(343.15 K) مكانيزم مبدل حرارتي براي كنترل و دفع حرارت اضافي سيستم به دليل تثبيت و كنترل دما در محدوده مورد نظر مناسب تر است.رابطه اي براي پيش‌بيني عدد ناسلت با استفاده از اعداد بدون بعد در نزديكي ديواره براي مكانيزم ژاكت و مبدل حرارتي با خطاي زير10% ارائه گرديد.

1400/10/05

CFD Simulation of Mixing and Thermal Analysis in Slurry Industrial Agitated Reactors

11/23/2022 12:00:00 AM

Nowadays, the use of computational fluid dynamics technique has become very useful in simulating processes such as mixing. The mixing of different phases in agitator reactors is extremely important. In this research, the rotating frame model has been used for simulation. According to the simulation results, to use this model, the optimal dimensions of the rotating area are obtained by increasing the impeller diameter and height by 60% for a standard double-bladed Rashton 6-blade impeller. The simulation showed that the power consumption and pumping rate of the fluid in the upper impeller is higher than the lower impeller. It was also found that in designing the distance between two impellers, the parallel pattern has the most and the assembled pattern has the lowest power consumption. In the optimization of process variables, it was concluded that by increasing the rotation speed and gas flow, mixing can be done faster and with less power consumption. But this increase has its limitations. Acceleration should be done so that the fluid inside the reactor does not leak out due to excessive rotation. Also, the gas flow rate should be increased to such an extent that, according to the flow pattern map, the conditions for complete mixing are ready. According to these points, the optimal process variables are (Q_g= 0.3605 l / s , N = 226.61 RPM). The scale increase process was performed to increase the volume 8 times by considering the power consumption number, Reynolds number and flow number (Re = 71000, N_p= 9.125). Improving the mixing quality by increasing the scale in the system was a change that was observed. The system was thermally tested. Observing the possibility of reacting throughout the system, 146.2 kW / m3 was applied as the term of the thermal spring in the system. The results showed that due to the homogeneity of the system in terms of hydrodynamics, it is also thermally homogeneous. Two jacket mechanisms and a heat exchanger were used to dissipate heat from the system. The simulation showed that the jacket and the heat exchanger stabilized the system temperature at 365.47K and 338.8 K. According to the desired operating temperature (343.15 K), the heat exchanger mechanism is more suitable for controlling and dissipating excess system heat due to stabilizing and controlling the temperature in the desired range. A relation for predicting Nusselt number using dimensionless numbers near the wall Jacket and heat exchanger with an error of less than 10% were provided.

اختلاط، ديناميك سيالات محاسباتي، رآكتورهاي هم زده، تحليل هيدروديناميك و حرارت، عدد ناسلت

Mixing, Computational fluid dynamics, Stirred reactors, Hydrodynamic and heat analysis, Nusselt number