30067

تحليل عملكرد راكتور كاويتاسيون هيدروديناميك ونتوري با استفاده از شبيه سازي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- مدل‌سازي، شبيه‌سازي و كنترل فرايندها

1398

1401/12/20

محمدتقي صادقي

سروش برادران

مهندسي شيمي، نفت و گاز

فرايندي كه در آن با عبور سيال از يك گلوگاه فشار آن به كمتر از فشار بخار آن سيال برسد، ايجاد حباب كند و سپس با فروپاشي حبابها ايجاد انرژي نمايد، كاويتاسيون هيدروديناميكي نام دارد. در اين فرايند ايجاد حبابها به دليل كاهش ناگهاني فشار، و سپس فروپاشي آنها انرژي زيادي به همراه راديكالهاي آزاد ايجاد ميكند كه سرعت انجام واكنشهاي شيميايي را افزايش ميدهد و كاربرد وسيعي در صنايع نفت و گاز و تصفيه پسابهاي صنعتي ايجاد كرده است. در تحقيق حاضر، يك راكتور كاويتاسيون هيدروديناميك ونتوري با ابعاد بهينه سازي شده توسط مطالعات قبلي در اين زمينه كه جهت رنگزدايي كنگو قرمز بهينه سازي گرديده بود، با قطر ورودي و خروجي 31 ميليمتر، قطر گلوگاه 4 ميليمتر، طول گلوگاه 4 ميليمتر، زاويه همگرايي 22/7 درجه و زاويه واگرايي 6/5 درجه جهت پيش بيني، بررسي و تحليل عملكرد راكتور مذكور در ميزان ايجاد كاويتاسيون تحت شرايط عملياتي جديد و تعيين شرايط عملياتي مناسب با توجه به نوع سيال ورودي، شبيه سازي CFD انجام شده است. نتايج حاصل از اين شبيه سازي با مقادير گزارش شده از ونتوري بهينه سازي شده در مطالعات پيشين اعتبار سنجي گرديد و تنها 2/21 درصد خطا حاصل شده است. در تحقيق پيش رو توجه خود را بر تاثير دما، فشار و نوع سيال بر عملكرد راكتور ونتوري بهينه سازي شده معطوف خواهيم كرد. براي جريان دو فازي آب، بنزن و نفت كوره بطور مجزا در فشارهاي ،4 5 و 6 اتمسفر و دماهاي ،30 45 و 60 درجه سانتي گراد، آب با دانسيته 3m/Kg ،980-1004 بنزن با دانسيته 3m/Kg 834-867 ،نفت كوره با دانسيته 3m/Kg946-960 و متانول با دانسيته 3m/Kg 748-781 شبيه سازي و نتايج ارائه شده است. اين شبيه سازي با يك مدل سه بعدي پايا و جريان سيال چند فازي مايع بخار با مدل اغتشاش �𝜀�-k و مدل كاويتاسيون ايشنر_سوار و حلگر فشار مبنا در نرم افزار انسيس فلوئنت انجام شده است. نتايج حاصل از شبيه سازي به خوبي نشان ميدهد كه افزايش دما منجر به افزايش فاز بخار در طول گلوگاه ونتوري شده است. همچنين افزايش فشار در ورودي راكتور ونتوري مذكور، افزايش سرعت را در پي خواهد داشت كه خود منجر به كاهش عدد كاويتاسيون و افزايش حبابها ميگردد. قابل ذكر است به دليل وجود سيالاتي غير از آب در صنعت، عملكرد راكتور ونتوري تحت عبور سيالاتي همچون بنزن و نفت كوره و متانول نيازمند شرايط عملياتي منحصر به فردي خواهد بود كه در تحقيق پيش رو به آن پرداخته شده است و نتايج حاصل از اين شبيه سازي به خوبي تاثير نوع سيال بر عملكرد راكتور و ميزان تشكيل كاويتاسيون را نشان ميدهد.

1402/08/03

Performance Analysis of Hydrodynamic Cavitation Reactor Venturi Using Simulation

3/10/2024 12:00:00 AM

Hydrodynamic cavitation is a process in which when a fluid passes through a throat, its pressure is lower than its vapor pressure, it creates bubbles and then creates energy by collapsing the bubbles. In this process, the creation of bubbles due to the reduction of pressure, and then their bursting creates a lot of energy along with free radicals, it increases the speed of chemical reactions and has wide applications in oil and petroleum and wastewater treatment industrial. In the current research, a venturi hydrodynamic cavitation reactor with dimensions optimized by previous studies in this field, which was optimized for Congo red decolorization, with inlet and outlet diameters of 31 mm, throat diameter of 4 mm, throat length of 4 mm, the convergence angle is 22.7 degrees and the divergence angle is 6.5 degrees in order to predict, check and analyze the performance of the mentioned reactor in terms of cavitation under new operating conditions and determine the appropriate operating conditions according to the type of input fluid, CFD simulation done. The results of this simulation were validated with the reported values of the optimized venturi in previous studies and only 2.21% error was obtained. In the upcoming research, we will focus on the effect of temperature, pressure and type of fluid on the performance of the optimized venturi reactor. For the two-phase flow of water, benzene, and fuel oil separately at pressures of 4, 5, and 6 atmospheres and temperatures of 30, 45, and 60 degrees Celsius, water with a density of 980-1004 Kg/m3, benzene with a density of 834-867 Kg/m3, fuel oil with a density of 946-960 Kg/m3 and Methanol with a density of 748-781 Kg/m3 were simulated and the results are presented. This simulation is done with a steady flow three-dimensional model and multi-phase fluid flow with k-ε turbulence model and Schnerr and Sauer cavitation model and pressure based solver in Ansys Fluent software. The results of the simulation clearly show that the increase in temperature has led to an increase in the vapor phase along the venturi throat. Also, increasing the pressure at the venturi reactor inlet will result in an increase in speed, which will lead to a decrease in the cavitation number and an increase in bubbles. It is worth mentioning that due to the existence of fluids other than water in the industry, the performance of the venturi reactor under the passage of fluids such as benzene and fuel oil will require unique operating conditions that have been addressed in the upcoming research and the results of this simulation It shows the effect of fluid type on reactor performance and cavitation rate.

كاويتاسيون هيدروديناميكي , راكتور ونتوري , گوگردزدايي اكسيداسيوني , اكسيداسيون پيشرفته , شبيه سازي عددي

hydrodynamic cavitation , Venturi Reactor , Oxidative Desulfurization , Advanced Oxidation , Numerical simulation

Fateme Khaje

Dr. Mohammad Taghi Sadeghi