22362

شبيه‌سازي CFD راكتور بستر ثابت نامنظم تحت تأثير ديواره با نسبت ابعادي بزرگ

دكتري

مهندسي شيمي

1392

1399/03/10

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

بسترهاي پرشده واكنشي جزو راكتورهايي هستند كه در صنعت به وفور استفاده مي شوند و كارهاي زيادي در زمينه پيش بيني انتقال جرم، حرارت و افت فشار در آنها انجام شده است. با مطالعات انجام شده نتيجه گيري شد كه دو پارامتر مهم پيچ وخم بستر و نقاط داغ در ديواره بستر وجود دارند كه بررسي چنداني روي آنها انجام نشده است. همچنين يكي از مشكلات موجود در اين بسترها، نسبت طول به قطر بالا و حضور تعداد زياد كاتاليست در داخل آنها مي باشد كه امكان بررسي با دقت بالاي اين راكتورها را با مشكل روبرو كرده است. بنابراين در اين مطالعه به بررسي پارامترهاي مذكور در 4 بخش اصلي پرداخته شد. در بخش اول، تاثير هندسه دانه كاتاليستي بر نقاط داغ ايجاد شده روي ديواره مطالعه شد. براي اين منظور رفتار 6 دانه غيركروي (استوانه اي، استوانه اي شياردار، سه پر، استوانه اي حفره دار، استوانه اي شياردار حفره دار و سه پر حفره دار) در مجاورت ديواره در دو حالت افقي و عمودي بررسي شد. نتايج نشان داد كه شكل هندسي دانه كاتاليستي تاثير بسزايي در تشكيل نقاط داغ دارد و از لحاظ كاهش نقاط داغ به ترتيب دانه هاي سه پر، استوانه اي شياردار و استوانه اي، داراي اولويت مي باشند. در بخش دوم از روش طراحي آزمايش آنووا به منظور يافتن زاويه بهينه قرارگيري دانه در مجاورت ديواره استفاده گرديد. در اين قسمت رفتار دانه استوانه اي در مجاورت ديواره حول محورهاي X، Y و Z به ترتيب 20-0، 45-45- و 30-0 درجه بررسي شد و رابطه اي جهت پيش بيني دماي بيشينه ايجاد شده روي ديواره بستر ارائه گرديد. در بخش سوم تاثير پيچ وخم بستر بر انتقال حرارت و افت فشار در بسترهاي پرشده منظم نمونه مطالعه شد. براي اين منظور افت فشار و انتقال حرارت دو بستر نمونه با تخلخل و ضريب شكل دانه هاي يكسان و چيدمان متفاوت بررسي گرديدند. داده هاي خطوط جريان از شبيه سازي استخراج شد و كدنويسي در محيط متلب بمنظور محاسبه پيچ وخم بستر انجام شد. مشاهده شد كه پيچ وخم، تاثير بسزايي در نتايج دارد و روابط موجود قادر به پيش بيني مناسب نتايج در اين بسترها نمي باشند. در نهايت پيچ وخم بستر با استفاده از طول خطوط جريان، محاسبه و روابط افت فشار و انتقال حرارت اصلاح گرديدند. در بخش چهارم روشي جهت شبيه سازي بسترهاي با طول بلند ارائه گرديد. در اين قسمت بستر موجود به 4 واحد مساوي تقسيم شد و واحد اول شبيه سازي گرديد. خروجي واحد اول به صورت ورودي واحد دوم در نظر گرفته شد و همين روند براي واحدهاي بعدي نيز تكرار گرديد. در نهايت نتايج خروجي با نتايج حاصل از راكتور با طول واقعي مقايسه شد و نتايج نشان داد كه مي توان از روش پيشنهادي به جاي شبيه-سازي بستر كامل (كه ناممكن يا هزينه بر مي باشد) استفاده نمود و از تكرار واحد نمونه به صورت سري به نتايج بستر با طول بلند رسيد.

1399/05/30

CFD Simulation of an unstructured fixed bed Reactor with high aspect ratio (length/diameter) affected by Wall

5/30/2020 12:00:00 AM

Packed beds are widely used in industries and lots of studies have been done on the mass transfer, heat transfer, and pressure drop. The results of the extensive literature review showed that tortuosity and hot-spots have not been studied sufficiently. One of the main reason which makes it difficult to study these beds is the high ratio of bed length to its diameter and also the presence of large umber of catalysts inside them. Consequently, the mentioned parameters were studied in four parts. First, the effect of catalyst pellet configuration on the created hot-spots on the tube wall was studied. To this aim, the behavior of six non-spherical pellets (cylindrical, sg-cylindrical, tri-lobe, multi-hole cylindrical, multi-hole sg-cylindrical, multi-hole tri-lobe) in both horizontal and vertical positions close to the tube wall was studied. The results showed that the catalyst pellet configuration effect is considerable on the created hot-spots and the tri-lobe, sg-cylindrical, and cylindrical pellets are in priority in terms of reducing the hot-spots. In the second part, the Analysis of Variance (ANOVA) procedure was applied to find the optimal placement of the cylindrical pellet beside the wall. The heat transfer behavior of the cylindrical pellet around the X, Y, and Z direction was studied in 0-20, -45-45, and 0-30 degrees respectively and an equation was proposed to predict the maximum temperature on the tube wall. In the third part, the effect of tortuosity on the heat transfer and pressure drop of structured packed beds were studied. To this aim, the heat transfer and pressure drop of two sample beds with the same porosity and sphericity and different arrangements were studied. The streamlines data was extracted from simulation results and a self-modified code in MATLAB was used to calculate the bed tortuosity. It was observed that tortuosity effects have a great impact on the results and it can’t be predicted by existing correlations. Finally, the pressure drop and Nusselt number correlations were modified by adding tortuosity number which was calculated using the length of streamlines. In the fourth part, a procedure was proposed to simulate the long beds. The bed divided into four equal parts and the first section was simulated. The outlet of the first section was considered as the inlet boundary conditions of the second one and this procedure continued for remained sections. Finally, the results were compared with the main reactor and showed that the proposed procedure can be used instead of the simulation of the main bed (which is not possible/costly).