19333

۱۹۳۳۳

بررسي آزمايشگاهي و مدل سازي اثر پاشش روي الگوي جريان بستر سيال

دكتري تخصصي

شبيه سازي و طراحي فرايندها

۱۳۸۷

۱۳۹۵/۱۰/۱۹

دكتر شاهرخ شاه حسيني

دكتر يعقوب بهجت

مهندسي شيمي ، نفت و گاز

بنا به اهمّيت پراكنش فاز مايع در راكتورهاي بالارونده، بررسي تجربي و شبيه‌سازي ويژگي‌ها و مشخّصه‌هاي هيدروديناميكي يك بسترسيال سه‌فازي مورد توجّه قرار گرفته است. يك مدل سه‌بعدي ناپايا، يك شبيه‌سازي سرد با رويكرد اويلري؛ مشابه شرايط واقعي جريان صورت گرفت. در كار حاضر، معادلات حاكم، شامل پيوستگي، حرارت و ممنتوم براي تك‌تك فازها، همچنين يك معادله دماي دانه‌اي در جهت تبيين برهم¬كنش ذرّات جامد مطابق تئوري سينتيك جريان دانه‌اي و يك مدل اغتشاش پراكنده، براي توصيف اثرات آشفتگي جريان چندفازي در چارچوب روش حجم محدود به‌كار گرفته شدند. در بخش انجام آزمايش‌هاي تجربي؛ با برپايي يك سامانه بستر سيال علاوه بر اندازه‌‌گيريماندگي جامد به كمك حسگرهاي ديودي مادون قرمز؛ در تعيين سرعت ذرّات جامد نيز از شيوه رديابي نگاره‌ايذرّات (PIV) و به كمك دوربين‌هاي برداشت سريع تصويريبهره گرفته شد. با اعمال الگوريتم همبستگي متقابل، مقاديرمحلّي و توزيع سرعت محوري و شعاعي ذرّات در ترازهاي مختلف راكتور بالارونده بدست آمدند. بر پايه رژيم حمل بادي،الگوهاي جريان سه فازي در بستر سيال چرخشي در محدودهسرعت¬هاي مختلف ظاهري گاز از 4 تا 10 متر بر ثانيه و نرخ¬هاي بارگذاري ذرّاتجامد تا300كيلوگرم بر مترمربع- ثانيه در نظر گرفته شده وارزيابي شدند. ناحيه مياني راكتور بالارونده، جايي كه ذرّات جامد ناشي از ممنتوم گونه‌ي مايع تبخيرشونده شتاب مي¬گيرند؛ پيچيده¬ترين قسمت بستر سيال است لذا با وجودانتقال شديد گرما ازذرّات جامد داغ و ناهمگني جريان،شرايط تبخير در سطح مايع و شدّت آشفتگي در حوالي ناحيه تزريق مايعمدل¬شد. بر اين اساس در نتيجه‌ي توسعه مدلSHED و برآورد عمق نفوذ مايع، اندازه قطر قطره در هر تراز از بالارونده بدست آمدند. در فرايند ريزافشاني مايع نيز به موجب تغييرات ذاتي در شرايط جريان، سير كاهش اندازه قطراتتخليه شده از نازل مدل‌سازي شد. براي سنجش اهمّيت اثر تبخير مايع روي عملكرد بالارونده، يك مطالعه پارامتري نيز با در نظرگرفتن متغيّرهاي مستقل نظير سرعت ظاهري گاز(m/s)، نرخ جريان جرمي ذرّات جامد(kg/s)، نرخ جريان حجمي مايع تبخيرشونده (l/s)روي پاسخ (سرعت ذرّات جامد) انجام شد. نتايج شبيه‌سازي دوفازي نشان دادند كه در اكثر مقاطع يك توزيع سهموي از سرعت ذرّات وجود دارد، به‌گونه¬اي كه سرعت در نزديكي ديواره بستر، مقادير كمتري نسبت به نواحي مياني دارد. متقابلاً، نتيجهشبيه¬سازي سه‌فازي آشكار مي¬كند كه فاز سوم تغييرات عمده¬اي را در الگوي جريان ايجاد نموده و سمت و سوي پرشتاب ذرّات جامد به جانب ميانه بستر متمايل مي¬شود. نتايج شبيه‌سازي بر پايه CFD، مطابقت خوبي با داده‌هاي تجربي كار حاضر دارد.

1397/06/24

Experimental Investigation and Modeling of Spray Effect on the Three-phase Flow Pattern in Fluidized Bed

9/15/2018 12:00:00 AM

Due to the importance of the impacts of spraying a liquid into the riser reactors, the hydrodynamic characteristics of risers have been numerically and experimentally investigated. Based on a 3D transient model with Eulerian approach, a cold simulation was carried out in conditions similar to flow in a FCC riser reactor. The governing equations for the phases and an equation based on the kinetic theory of granular flow (KTGF), as well as the dispersed turbulence model were applied. The governing equations were numerically solved by FVM for all of phases. Beside volume fraction distribution of the phases(by infrared sensor), solid particle velocity was determined by utilizing a fast digital image capturing system and particle image velocimetry (PIV) technique. In addition, the solid velocity profile in each height of the riser was obtained via image processing and the cross-correlation algorithm. Therefore; based on pneumatic conveying regime, the three phase flow pattern in CFB riser operating at a solid mass flux up to 300 kg/m2s and a superficial gas velocity in the range of 4-10 m/s was evaluated. The inlet zone of the riser reactor, where the solid particle is accelerated by the evaporating liquid, is the most complex part of the reactor.In the liquid injection area intense turbulence and flow inhomogeneities exist, while the hot solid particles exchange large amounts of heat with liquids to balance the needs of heat of vaporization of liquid phase. The area where liquid vaporization takes place inside the riser was predicted and the evolution of atomized droplet size was illustrated. The atomization modeling scheme took into account the liquid droplet size at nozzle's exit, as well as droplet size reduction along with vaporization. To evaluate the degree of atomization effects of a evaporating liquid on riser reactor performance, a parametric study is carried out considering different independent variables. Meanwhile, affecting some independent variables comprising the gas superficial velocity (m/s), the solid particle mass flow rate (kg/s), and the evaporating liquid volume flow rate (l/s) on the solids velocity are investigated. The results of two-phase simulations show that in most axial levels of the riser, there is a parabola-shaped velocity profile so that the particle velocity near the bed walls is lower than that in the central regions. The results of three-phase simulations revealed that the injection of the third phase into the bed leads to phenomenal changes of the flow pattern. The simulation results based on CFD are in good agreements with the experimental data.