18818

۱۸۸۱۸

بررسي تاثير پارامترهاي جرياني در سيستم گوگردزدايي اكسيداسيوني سوخت ديزل به كمك امواج مافوق صوت

دكتري

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرايند

اسفند ۱۳۹۶

دكتر شاهرخ شاه حسيني

دكتر سلمان موحدي راد

مهندسي شيمي ، نفت و گاز

در تحقيق حاضر، ابتدا مدل معتبر ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) جهت بررسي هيدروديناميك راكتور شاخه¬اي امواج مافوق صوت ارائه و يك مدل جديد شرط مرزي متحرك با پروفايل سهموي-لگاريتمي براي امواج انتقالي توسعه داده شد. به علاوه، مدل كاويتاسيون بهبود يافته در مدل CFD، با هدف پيش¬بيني هيدروديناميك جريان در راكتور صوتي مورد استفاده قرار گرفت. پس از اعتبارسنجي مدل CFD، شبيه¬سازي جهت پيش¬بيني متغيرهاي مختلفي مانند مناطق كاويتاسيون صوتي، ميدان فشار، ميدان جريان و همچنين متغيرهاي اغتشاشي صورت پذيرفت. سپس، با در نظر گرفتن متغيرهاي طراحي و نوآوري استفاده از تزريق در محل منطقه فعال، عملكرد سيستم جرياني ارزيابي شد. در اين راستا، ابتدا تاثير پارامترهاي عملياتي بررسي و مقادير مناسب نسبت مولي اكسيد كننده به سوخت (88/38)، نسبت مولي اسيد به سوخت (67/116) و مدت زمان قرار گرفتن در معرض امواج مافوق صوت (2/29 دقيقه) در محدوده¬¬ي مورد نظر انتخاب شد. پس از آن، آزمايش¬هايي با هدف كمينه كردن زمان ماند و نسبت حجمي فاز آبي به آلي در راكتور صوتي دو مرحله¬اي جرياني انجام شد. بيش از 90 درصد گوگردزدايي در زمان ماند 5/5 دقيقه و نسبت حجمي فاز آبي به فاز آلي 2/0 بدست آمد. همچنين، فرايند UAOD با روش تزريق فاز آبي نسبت به سيستم متداول تماس اختلاط بين فازي مقايسه شد. افزايش محسوسي در ميزان حذف گوگرد و به ويژه در زمان قرار گرفتن تحت امواج مافوق صوت پايين براي سيستم تزريقي نسبت به سيستم متداول مشاهده گرديد. در نهايت، راكتور استوانه¬اي جهت استفاده در مقياس¬ بالاتر طراحي و پارامترهاي جرياني در اين سيستم مانند زمان ماند، قطر نازل و تعداد تزريق فاز پراكنده ارزيابي شد. با توجه به نتايج حاصل از آناليز كروماتوگرافي گازي، حذف بيش از 98 درصد از تركيبات گوگردي موجود در سوخت ديزل با روش دو تزريقي در دبي¬ حجمي فاز آبي 89/48 و آلي 44/244 ميلي¬ليتر بر دقيقه و زمان ماند 15 دقيقه، پس از سه مرحله استخراج بدست آمد. همچنين آناليزهاي مختلف بعد از مراحل اكسيداسيون، حذف بيش از 99 درصد از فاز آبي مورد استفاده در فاز آلي را نشان دادند. به علاوه، پارامتري هيدروديناميكي به نام نسبت مومنتوم هيدروديناميكي كه به ارزيابي قدرت جت امواج مافوق صوت نسبت به جت فاز پراكنده مي¬پردازد، تعريف گرديد. در ادامه، جهت شبيه¬سازي سوخت مدل در راكتور صوتي، مدل هيدروديناميكي CFD با مدل سينتيكي واكنشي ادغام شد. نتايج CFD نشان داد كه اثرات فيزيكي و شيميايي ناشي از انتقال امواج مافوق صوت و پديده كاويتاسيون مي¬تواند در ميزان حذف گوگرد اثرگذار باشد. با اين وجود اثرات فيزيكي مانند جريان¬هاي صوتي و نوسانات سرعت مربوط به شرايط جرياني ايجاد شده در داخل راكتور صوتي نقش اصلي را در حذف تركيبات گوگردي ايفا مي¬كنند.

1397/02/25

5/15/2018 12:00:00 AM

In this work, at first, a valid computational fluid dynamic (CFD) model presented in order to investigate the hydrodynamic of the ultrasonic horn reactor, and a new moving boundary condition model with an oscillating parabolic-logarithmic profile was derived to simulate the wave behavior. Moreover, the modified cavitation model in order to capture the hydrodynamic of the ultrasonic horn reactor was applied. After validating the CFD model, the simulation was utilized to predict various quantities such as cavitation zone, pressure field, flow field and turbulence parameters. Then, considering the design variables and employing the idea of injection at the active zone the performance of the flow-system was scrutinized. In this regard, at the first, the effect and decision to choose of the process variables including oxidation parameters such as oxidant-to-sulfur molar ratio, (38.88), acid-to-sulfur molar ratio, (116.67), and sonication time (29.2 min) at the specified conditions, were selected. Afterwards, some experiments with objective of minimizing the residence time and aqueous phase to fuel volume ratio have been conducted in a double-stages sonoreactor. More than 90 percent sulfur removal at residence time of 5.5 min and aqueous phase to fuel volume ratio of 0.2 was obtained. Furthermore, the UAOD process with injection of the aqueous phase is compared to a conventional UAOD. Significant improvement on the sulfur removal was observed specially in lower sonication time in the case of dispersion method in comparison with the conventional contact between two phases. Ultimately, cylindrical sonoreactor in order to use for the larger scale operation was designed, and the operating parameters such as residence time, nozzle diameter and number of nuzzles were investigated. GC analysis showed that more than 98 percent sulfur removal from the diesel fuel was attained using the two injection nuzzles and in volumetric flow rate of aqueous phase and fuel phase at 48.89 and 244.44 mL/min, total residence time of 15 min and after three step of extraction. In addition, various analysis after the oxidation process revealed that more than 99 percent of aqueous phase from the oil phase has been removed. Also, a hydrodynamic parameter named as a hydrodynamic momentum ratio is introduced to evaluate the relative strength of the ultrasonic jet versus aqueous jet. Hydrodynamic CFD model incorporated by reaction kinetic to predict the sulfur removal for model fuel within a sonoreactor. The CFD results indicated that the physical and chemical effects associated with the ultrasonic field can contribute to the enhancement of reaction and sulfur removal rates. However, the physical effects such as acoustic streaming and velocity fluctuation are predominant role for the enhancement of sulfur removal.