دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – مهندسی فرآیند

عنوان:

ساخت مدل آزمایشگاهی و مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی اختلاط در ظروف بهم زن چند پروانه ای

چکیده

در این تحقیق اختلاط در یک راکتور صنعتی چند پروانه ای مجهز به سه پروانه دریایی با استفاده از تکنیک مدلسازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بررسی شده است.

هدف اصلی شناسایی علت عدم اختلاط مناسب با توجه به وجود فضاهای مرده در ظرف اختلاط مورد نظر می باشد و سپس با توجه به اهمیت موضوع اختلاط در این راکتور، با پیشنهاد نصب یک پروانه راشتن (علاوه بر سه پروانه دریایی) سعی در بهینه کردن عملیات اختلاط شده است.

در این تحقیق نمونه آزمایشگاهی ظرف اختلاط مجهز به سه پروانه دریایی ساخته شده و سعی شده است که تست هایی شبیه به فرآیند واقعی بر روی آن انجام شود.

بعد از انجام آزمایشات بر روی ظرف اختلاط مجهز به سه پروانه دریایی، نمونه آزمایشگاهی پروانه راشتن نیز ساخته شده و با نصب این پروانه بر روی شفت همزن (دقیقا وسط دو پروانه دریایی انتهایی شفت) و مجهز کردن همزن به این پروانه آزمایشات مرحله قبل با همان شرایط بر روی این مدل نیز انجام شده نتایج حاصل از این آزمایشات به صورت مقایسه ای در فصل سوم (به صورت تصویری) ارائه شده است.

برای شناسایی علت عدم اختلاط مناسب در مخزن اختلاط مجهز به سه پروانه دریایی، و همچنین بررسی نحوه اختلاط در تانک مجهز به سه پروانه دریایی و یک پروانه راشتن، نیاز به بررسی الگوی جریان ایجاد شده توسط پروانه های این دو سیستم اختلاط می باشد که این کار با استفاده از مدلسازی CFD و بررسی نحوه حرکت سیال در ظروف مورد نظر انجام گرفته است. با استفاده از نتایج CFD به خوبی نحوه اختلاط در دو راکتور مورد تحلیل قرار گرفته و در نهایت مقایسه ای بین این دو سیستم صورت گرفته است.

لازم به ذکر است که برای نشان دادن ته نشینی مواد (خصوصا سیترات کلسیم) در اطراف دیواره و بافل های مخزن از یک واکنش مجازی بهره گرفته شده است و در قسمت حل ناپایدار تمرکز بر روی غلظت های محصول این واکنش است.

مقدمه

اختلاط به معنای مخلوط شدن مواد مختلف جهت به دست آوردن خواص فیزیکی یکسان در مجموعه سیال جهت انجام فرآیندهای بعدی بر روی آن می باشد. اختلاط در فرآیندهای صنعتی و عملیات مربوط به آنها نقش عمده ای را دارا می باشد و در کل برای دستیابی به یک مخلوط همگن صورت می گیرد. این عملیات می تواند توسط همزن های مکانیکی (پروانه) و یا جت های سیال صورت می گیرد. متداول ترین روش برای عمل اختلاط در صنعت استفاده از پروانه های هم زننده می باشد که در این روش مخلوط کردن به وسیله چرخش مداوم و سریع پروانه در داخل سیال صورت می گیرد.

جریان سیال در ظرف اختلاط در اثر چرخش پروانه ایجاد می شود و این چرخش پروانه بر حرکت سیال درون تانک تأثیر گذاشته و سبب تغییر الگوی جریان در مکان های مختلف درون ظرف گشته و سرانجام این تغییر در اثر وجود دیواره های ساکن ظرف و بافل ها تکمیل می شود.

در صنایع شیمیایی، نفت و پتروشیمی اختلاط یک فرآیند بسیار مهم در خیلی از کارخانجات می باشد و می تواند برای اهداف بسیاری مثل همگن سازی خواص فیزیکی و ترکیبات، جلوگیری از لایه لایه شدن و ته نشینی ذرات معلق برای بهبود نرخ انتقال حرارت، انتقال جرم، سرعت واکنش های شیمیایی و غیره به کار برده شود. از جمله مثال های عملیات اختلاط می توان به امتزاج دو مایع یا کمک به انحلال جامد در مایع، استخراج جامد – مایع، جذب گاز، کریستالیزاسیون و استخراج مایع – مایع اشاره کرد.

از آنجا که در صنعت همواره نمی توان به یک مخلوط همگن رسید، بحث اختلاط پراهمیت و بررسی آن قابل توجه می باشد.

فصل اول

مروری بر توسعه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در مدلسازی اختلاط

1-1) مقدمه

دینامیک سیالات محاسبات راه حل تئوری جهت بررسی و پیش بینی عملکرد سیستم هایی است که درگیر جریان سیال، انتقال انرژی و پدیده های مربوطه مانند احتراق و واکنش های شیمیایی می باشند. این محاسبات با شبیه سازی کامپیوتری همراه می باشند. کدهای دینامیک سیالات محاسباتی، معادلاتی پیوستگی جرم، انرژی و اندازه حرکت را روی یک دامنه که توسط کاربر مشخص می شود، حل می نمایند.

اختلاط در تانک های بهم زن تاکنون به طور گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته است. از این رو، در این فصل تاریخچه استفاده آن در شبیه سازی تانک های اختلاط بافل دار مورد توجه قرار گرفته است. ضمنا در بخش آخر این فصل مروری بر معیارهای مورد استفاده جهت تحلیل نتایج به دست آمده از CFD و توصیف جریان صورت گرفته است.

2-1) مطالعات تجربی صورت گرفته در زمینه اختلاط توسط پروانه

از دیدگاه حل عددی، یکی از مشخصه های اصلی تانک های بافل دار (و همچنین تانک هایی که وجود بهم زن در آنها باعث عدم تقارن می شود؛ تانک هایی که همزن روی دیوار جانبی نصب می گردد) این است که شکل دامنه جریان (شامل سطح مایع، دیوار تانک، همزن و شفت آن) با زمان تغییر می کند. این خصوصیت، تانک بهم زن را از اکثر راکتورهایی که در فرآیندهای صنعتی مهندسی شیمی استفاده می شوند جدا می نماید. اولین شبیه سازی های جریان آشفته داخل تانک های اختلاط بافل دار به صورت دوبعدی بودند. در این شبیه سازی ها اثرات همزن متحرک و بافل های ساکن به ترتیب به عنوان منابع و چاه های اندازه حرکت، در معادلات میانگین دایروی برای مولفه مماسی سرعت منظور می گردیدند. منابع مناسب اندازه حرکت، به نوع همزن بستگی دارد که در معادلات میانگین دایروی مولفه های مماسی و شعاعی سرعت متوسط منظور می گردند. الگوی جریان کلی به دست آمده از این شبیه سازی ها تطابق دلگرم کننده ای با داده های آزمایشگاهی نشان دادند و مقدمه خوبی برای بسط های بعدی CFD برای مدلسازی جریان داخل تانک های اختلاط محسوب می شوند. پیش از ظهور مدلسازی تانک های اختلاط بافل دار به وسیله CFD، به علت نیاز صنعت به توضیح دقیق تر هیدرودینامیک جریان نسبت به مدل ایده آل تانک های اختلاط بافل دار، مدل های دیگری ارائه گردید: از جمله مدل های چرخش، مدل های نفوذ گردابه ای و مدل های شبکه مناطق.

در مدل های چرخشی، فرض اساسی این است که اختلاط توسط جریان میانگین کنترل می شود. مدل های نفوذ گردابه ای فرض می کنند که کل فرآیند اختلاط توسط نفوذ گردابه ای کنترل می شود. دو مدل جدیدتر یعنی شبکه مناطق و محاسبات دینامیکی سیال، نسبت به مدل های دیگر بسیار دقیق ترند. علت اصلی این امر این است که تأثیر سرعت مکانی سیال در این مدل ها مدنظر قرار می گیرد.

در مدل های شبکه مناطق با توجه به شکل هندسی ظرف، ابتدا منطقه سیالی توسط یک شبکه دوبعدی به مناطق کوچک تقسیم می شود. این شبکه دوبعدی به همراه یک سری حلقه های هم مرکز در پایین و یک سری حلقه در بالای پروانه، اساس شبکه سه بعدی را که با بسط این شبکه (با چرخش در جهت شعاعی / محوری) به دست می آید تشکیل می دهد. به عبارت دیگر الگوی جریان در داخل تانک، پیش فرض می شود. در این مدل تبادل اغتشاش بین حلقه های مختلف به وسیله ضرایب B و B1 و B2 مدنظر قرار می گیرد. همچنان که بیان شد مدل شبکه مناطق قادر به محاسبه الگوی جریان در تانک اختلاط نمی باشد بدین صورت که الگوی جریان سیال در مناطق مختلف به صورت پیش فرض به این مدل داده می شود و فقط معادلات موازنه جرم بین مناطق مختلف نوشته و حل می گردد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.