20773

۲۰۷۷۳

بررسي تجربي و شبيه سازي CFD اختلاط در يك راكتور همزن دار مجهز به اسپارجر گاز

كارشاسي ارشد

طراحي فرآِيند

۱۳۹۵

۱۳۹۸/۳/۱۲

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

اختلاط يك از فرآيندهاي مهم است كه در بسياري از صنايع بطور موثر حضور دارد. از جمله موارد پركاربرد اختلاط، استفاده در صنايع دارويي بصورت راكتور همزن¬دار مي¬باشد. با توجه به گستردگي كاربرد اين مخازن و با در نظر گرفتن اينكه طراحي اين¬گونه از مخازن بارها مورد بررسي قرار گرفته است، لذا با داشتن مشخصاتي همچون پروفايل سرعت، پارامترهاي آشفتگي، توزيع هوا و غيره مي¬توان در استفاده بهينه از اين راكتورها اقدام نمود. هدف از اين پژوهش، شبيه¬سازي CFD اين راكتورها مي¬باشد. در اين پژوهش از مدل قاب چرخان و مش متحرك براي شبيه¬سازي راكتور استفاده شده است. ابتدا بروي يك راكتور تك پره¬اي در پژوهش وو-پاترسون، مطالعات اوليه انجام و مناسب¬ترين مدل اغتشاشي براي اين مدل مخازن همزن¬دار با توجه به توان محاسباتي و كاهش زمان محاسباتي انتخاب شد. ارتفاع و قطر مدل قاب چرخان انتخاب شده 6/1 قطر پره انتخاب شد. سپس پارامتر توان راكتور و الگوي جريان بررسي شد. بهترين مدل اغتشاشي RNG k-ε انتخاب شد. در قسمت بعدي پژوهش از يك راكتور دو پره¬اي همراه با اسپارجر گاز استفاده شد. ابتدا توان و زمان اختلاط بصورت آزمايشگاهي با استفاده از ميكسر و pH meter محاسبه شد. در حالت بدون هوادهي با افزايش دور پره توان كلي راكتور افزايشي، اما زمان اختلاط كاهشي بود. در حالت هوادهي توان كلي راكتور با افزايش دبي اسپارجر كاهشي و زمان اختلاط افزايش و پس از مدتي ثابت شد. سپس اقدام به شبيه¬سازي¬ بروي راكتور شد. نتايج بدست آمده شبيه¬سازي با كار آزمايشگاهي صحت سنجي شد. از جمله پارامترهاي مورد بررسي توان و زمان اختلاط بود. عدد توان تقريبي حدوداً برابر 7 انتخاب شد. سپس اقدام به راه¬اندازي اسپارجر شده و دوباره پارامترهاي توان مصرفي گازي و زمان اختلاط مورد بررسي قرار گرفت. با افزايش دبي اسپارجر توان مصرفي راكتور كاهش يافت. عدد توان به همين منوال با توجه به عدد هوادهي200 و 500 و 1000 و 1500 ميلي¬ليتر بر دقيقه به ترتيب 5/5 و 5 و 8/4 و 5/4 است. با افزايش دبي اسپارجر زمان اختلاط افزايش يافت، بطوريگه در دور چرخشي 200 دور بر دقيقه با افزايش عدد هوادهي تا 03/0 ، زمان اختلاط افزايشي و پس از آن با افزايش عدد هوادهي اين مقدار ثابت ماند. از ديگر موارد بررسي شده الگوهاي قرارگيري پره در راكتور بود. سه الگوي جمع¬شده و موازي و جداشده بررسي شد. در قسمت محاسبه توان آنچه كه مشهود شد، الگوي جمع¬شده كمترين توان مصرفي، سپس الگوي جداشده و در نهايت الگوي موازي بيشتري توان مصرفي را دارا بود. در ارتباط با زمان اختلاط نيز كمترين زمان اختلاط مربوط به الگوي جمع-شده و پس از موازي و در نهايت الگوي جداشده بيشترين زمان اختلاط را داشت. واژه‌هاي كليدي: راكتور همزن¬دار، قاب چرخان چندتايي(MRF)، مدل اغتشاشي، اختلاط

1398/04/09

Exprimental investigation and CFD simulation of mixing in a stirred tank with gas sparger

6/2/2019 12:00:00 AM

Mixing is one of the important processes that is effective in many industries. One of the most common uses of mixing, the use in the pharmaceutical industry is a stirred reactor. Considering the wide applications, design of such tanks has been investigated, characteristics such as velocity profiles, turbulence parameters, air distribution, etc. can be used in optimal acting of stirred reactors (CSTRs). The purpose of this study is CFD simulation of these reactors. A rotating frame and mesh motion models have been used to simulate the tank. A single impeller reactor in the reported research was studied and the most suitable turbulence model for this agitators was selected based on CPU time and accuracy of the model. Height and diameter of the selected rotating frame model were chosen to be 1.6 of the diameter of the blade. Then, the agitator power and flow pattern based on RNG k-ε model were examined. In the next part of the study, a double-bladed reactor with gas sparger was studied. The power and mixing time were measured experimentally by tracer method. In non-aeration mode, the total reactor power was increased by increasing the impeller rotation, but the mixing time was decreasing. In aeration mode, with increasing sparger flow the total power of the reactor decreased and the mixing time increase to a fixed value. The CFD results were validated by experimental works. The approximate power number was obtained seven, then the sparger was started and the parameters of gas consumption and mixing time were investigated again. The reactor power number decreased from 5.5 to 4.5 with increasing the sparger gas flow (200-1500 milli-liter per minute). As the mentioned sparger flow range, the mixing time raises to a constant value at a constant rotational speed of 200 rpm. Three patterns of impeller placement in the reactor (parallel, divided and merging patterns) were investigated. The merging pattern has the lowest power consumption, then the divided pattern and, ultimately, the parallel pattern had more power consumption from the others. In addition, the lowest mixing time was related to the merging pattern and after that was parallel pattern, and finally the divided pattern had the longest mixing time. Keywords: Sttired tank, Multiple Refrance Frame, Turbulence model, mixing