21500

21500

شبيه سازي تجزيه ناهمگن مايع چندجزئي در بستر كاتاليستي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا

1396

1398/08/19

دكتر حجت قاسمي

مكانيك

واكنش شيميايي ناهمگن در بستر كاتاليستي، در فرآيند جداسازي، تجزيه، سلول هاي سوختي و رانشگرها كاربرد دارد. مطالعه ي تجربي واكنش ناهمگن در بستر كاتاليستي، كار پرهزينه و دشواري است؛ همچنين اين مطالعات قابليت ارائه تحولات داخل بستر را ندارند و تنها عملكرد كلي سيستم را نشان مي دهند. براي مشاهده تحولات رخ‌ داده در داخل بستر، استفاده از شبيه سازي عددي، روشي ارزان و سريع است. در اين پايان نامه، واكنش تجزيه ناهمگن در بستر كاتاليستي، به صورت يك مرحله اي شبيه‌سازي‌ شده است. اين نوع مدل سازيِ واكنش ناهمگن، محدوده شرايط شبيه سازي را افزايش مي دهد و واكنش شيميايي را به صورت دقيق مدل مي كند. براي انجام اين شبيه سازي از برنامه تجاري انسيس فلوئنت نسخه 18/1 استفاده‌ شده است. اين شبيه سازي، تحولات اتفاق افتاده در بستر را با دقت زياد نشان مي دهد. مطالعه اين تحولات براي تشخيص شرايط عملكرد بستر و بهينه سازي آن اهميت دارد. طول و ضريب تخلخل بستر از پارامترهاي مهم در تعيين عملكرد كلي سيستم هستند. چراكه افزايش طول بستر يا كاهش ضريب تخلخل آن، منجر به افزايش افت فشار بستر مي شود، همچنين كاهش طول بستر يا افزايش ضريب تخلخل آن، منجر به عدم تكميل واكنش شيميايي مي شود. زمان برخاست فشار يكي ديگر از پارامترهاي مهم است. اين پارامتر نشان دهنده ي زمان مورد نياز براي افزايش فشار محفظه از مقدار اوليه تا مقدار پايا بوده و به عوامل زيادي وابسته است. اين عوامل شامل، دبي جرمي مايع ورودي، غلظت مايع ورودي، خواص بستر و سرعت واكنش شيميايي هستند. سرعت واكنش شيميايي، وابسته به تركيبات استفاده‌ شده در بستر كاتاليستي است؛ يعني كاتاليست هاي مختلف، سرعت تجزيه متفاوتي ايجاد مي كنند؛ بنابراين انجام آزمايش براي بدست آوردن سرعت تجزيه مهم است. همچنين شكل توزيع گلوله هاي كاتاليستي در بستر، موضوع مهمي است؛ زيرا در بهينه سازي بستر كاتاليستي و تعيين ضريب تخلخل آن مؤثر است. براي تعيين نرخ واكنش تجزيه، يك سكوي آزمايش ساخته‌ شده و توسط آن پارامترهاي معادله آرنيوس بدست آمده است. سپس آزمايش ديگري براي تعيين مشخصات بستر انجام‌ شده است. اين آزمايش ضريب تخلخل و شكل توزيع گلوله هاي كاتاليستي در بستر را مشخص مي كند. نتايج اين آزمايش نشان مي دهد كه چينش گلوله هايي به قطر 1/9 ميليمتر در يك بستر با قطر 10 و طول 30 ميليمتر، به صورت الگوي مكعبي و شش وجهي است. در شبيه سازي انجام‌ شده، واكنش تجزيه تا فاصله 7 ميليمتري از انژكتور كامل مي شود؛ اين فاصله يك‌چهارم طول بستر است. همچنين براي محاسبه فشار پاياي محفظه و زمان برخاست فشار، كدي بر اساس معادلات ديناميك گاز نوشته‌ شده است. از نتايج اين كد براي اعتبارسنجي نتايج شبيه سازي استفاده‌ شده است. واژه‌هاي كليدي: واكنش ناهمگن، بستر كاتاليستي، جريان چندفازي، جريان چندجزئي

1398/10/09

Simulation of Heterogeneous Decomposition of Multicomponent Liquid in Packed Bed

11/10/2021 12:00:00 AM

The heterogeneous chemical reaction in the packed bed is used in the separation process, decomposition process and fuel cells. Experimental study of the heterogeneous reaction in the packed bed is a costly and difficult task; also, these studies cannot show the changes occurring inside the packed bed and only show the overall performance of the system. Using numerical simulation is an inexpensive and fast way to observe the changes occurring inside the packed bed. In this thesis, the heterogeneous decomposition reaction in the packed bed is simulated as a one-step process. This type of heterogeneous reaction modeling extends the range of simulation conditions and accurately models the chemical reaction. ANSYS Fluent version 18.1 is used to perform this simulation. This simulation shows the changes occurring in the packed bed very accurately. Studying these changes is important for identifying and optimizing bed performance conditions. Bed length and porosity coefficient are important parameters in determining overall system performance. Because increasing bed length, or decreasing its porosity coefficient, results in increased bed pressure drop, also decreasing bed length, or increasing its porosity coefficient, may result in the chemical reaction being incomplete. Pressure rise time is another important parameter. This parameter represents the time required to increase the chamber pressure from the initial value to the constant value and depends on many factors. These factors include, inlet fluid mass, inlet fluid concentration, substrate properties and chemical reaction rate. The rate of chemical reaction depends on the constituents used in the packed bed; Therefore, it is important to carry out experiments to obtain a decomposition rate. Also the distribution form of pellets in the packed bed is an important issue. Because it is effective in optimizing the packed bed and determining its porosity. To determine the rate of decomposition reaction, a test stand was constructed and the parameters of the Arrhenius equation were obtained. Then another experiment was performed to determine the packed bed characteristics. This experiment determines the porosity coefficient and the distribution form of pellets in the packed bed. The results of this experiment show that the arrangement of pellets with a diameter of 1.9 mm in a packed bed with a diameter of 10 mm and a length of 30 mm is in the form of cubic and Hexagonal. In the simulation, the decomposition reaction is completed within 5 mm of the injector; this is one-sixth the length of the packed bed. Also, a code based on gas dynamics equations is written to calculate the chamber steady pressure and the pressure rise time. The results of this code are used to validate the simulation results. Keywords: Heterogeneous reaction, Packed bed, Multiphase flow, Multicomponent flow