دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی – فرآیند

عنوان:

شبیه سازی نرخ اتلاف انرژی در سیستم اختلاط مایع – مایع امتزاج ناپذیر

چکیده

اختلاط در تانک بهمزن با استفاده از دینامیک محاسباتی جریان (CFD) شبیه سازی شد. هدف اصلی در این پروژه بررسی امکان تقسیم بندی تانک به دو یا تعداد بیشتری کوپه براساس مقادیر نرخ اتلاف انرژی توربولنسی E می باشد. متد قابل مرجع چندگانه (MFR) برای مدل کردن پروانه مورد استفاده قرار گرفت. این روش در مقایسه با متد قاب چرخان (RF) روشی به روزتر می باشد. نتایج عددی به دست آمده با نتایج آلکسوپولوس (Alexopolous) (2002) مقایسه شد و توافقات خوبی به دست آمد. تانک به کوپه هایی براساس مقدار نرخ اتلاف انرژی جنبشی توربولنسی، Ecut تقسیم بندی شد. این Ecut قبلا براساس رسم نمودار نرخ اتلاف انرژی تراکمی برحسب نرخ اتلاف به دست می آمد. اما در این پروژه استدلال شد که این روش توام با درصدی از خطای مشاهداتی بود و ملاک واضحی برای انتخاب نرخ اتلاف انرژی برشی نمی باشد، در عوض به جای آن Ecut براساس توزیع دانسیته حجمی انتخاب شد که واضح تر و قابل رویت تر می باشد. تانک به دو کوپه، ناحیه پروانه و ناحیه بالک براساس Ecut تقسیم بندی شد. تاثیر فاکتورهایی شامل، نوع پروانه، قطر پروانه، سرعت چرخش، حضور بافل، و فاصله پروانه از انتهای تانک بررسی شد. این طور به دست آمد که نوع و قطر پروانه، سرعت چرخش، حضور بافل تاثیر مهمی بر روی سطح نرخ اتلاف انرژی و سایز کوپه پروانه دارند ولی فاصله پروانه از انتهای تانک تاثیر قابل ملاحظه ای ندارد.

مقدمه:

تانکهای بهم زده شده با یک وسیله مکانیکی و یا یک جت مایع به طور گسترده در بسیاری از پروسه های صنعتی کاربرد دارند. این پروسه ها شامل صنایع شیمیایی، پتروشیمی، متالوژیکی می باشد. تانکهای بهم زن در پروسه های مختلفی از قبیل: امتزاج، پراکنده سازی، امولوسیون، سوسپانیون، بالا بردن دما و انتقام جرم کاربرد دارند. در نتیجه طیف وسیعی از تانک های بهمزن برای شرایط عملیاتی مختلف وجود دارند. جزئیات جریان و نحوه گسترش اختلاط در تانکهای بهمزن تاثیر مهمی در بیشتر کاربردهای صنعتی دارد.

طراحی و افزایش مقیاس تانک های بهم زن و تعیین کمیت اختلاط در آنها به طور سنتی با توسعه معادله های طراحی تجربی که اساسا به خاطر وجود پیچیدگی در دینامیک جریان اختلاط است، متوقف شد، به طور مثال تعیین واحد درجه اختلاط، به وسیله آنالیز توزیع زمان اقامت یک ردیاب مورد بررسی قرار می گرفت. اگرچه این دیدگاه برای بسیاری از کاربردها به اثبات رسیده است، اما نسبتاً محدود بوده، زیرا پیچیدگی جریان در بسیاری از کاربردهای اختلاطی در نظر گرفته نشده است. علاوه بر این معادله های تجربی معمولاً برای شرایط خاص آزمایشگاهی بوده و ندرتاً در تئوری های توسعه یافته مشارکت دارند. اخیرا دینامیک محاسباتی جریان (CFD) و تکنیک های آزمایشگاهی پیشرفته از قبیل سرعت سنج لیزر داپلر (LDV) به طور گسترده ای برای درک بهتر پروسه اختلاط به کار گرفته می شود که شامل اطلاع از جزئیات ویژگی های جریان، از قبیل اطلاع از جزئیات پروسس که برای طراحی اجزا و انتخاب آنها بسیار ضروری می باسد. شبیه سازی کامپیوتری پدیده جریان آشفته در بسیاری از کاربردهای صنعتی به طور موفقیت آمیزی انجام گرفته است. پاترسون (1975) اصول به کار بردن مدل های ریاضی را برای شرایط مختلف اختلاط توصیف کرد. با پیشرفتهای اخیر در نرم افزار CFD و افزایش قدرت کامپیوتر امکان تعیین الگوی جریان و اختلاط را در تانکهای بهمزن به وسیله شبیه سازی بیشتر از کار آزمایشگاهی فراهم آورده است پیشرفت نسبت به درک بهتر اختلاط تنها به زمینه های عددی به جز آزمایشگاهی محدود نبوده و در زمینه تئوری نیز پیشرفتهایی حاصل شده است. اوتینو (1990) یک تئوری سینماتیکی از نرخ اختلاط پیشنهاد داد که یائو (1998) توانست یک ابزار نظری برای طراحی بهینه میکسر و کیفیت و کمیت اختلاط براساس تئوری اوتینو و استفاده از نتایج CFD ارائه دهد. در این پروژه ما مطالعات خود را در مورد تاثیرات فاکتورهای هندسی و عملیاتی بر روی همگنی اختلاط در تانکهای بهمزن متمرکز کرده ایم. همچنین مطالعات آزمایشگاهی و عددی انجام شده بر روی تانکهای بهمزن را مورد بررسی قرار دادیم. محاسبات مربوط به جریان مغشوش در مخزن همزندار یکی از چالش های مهم در مدل های اغتشاش موجود است. عواملی که باعث این پیچیدگی می شوند شامل طبیعت ناهمگون جریان در مخازن همزندار؛ همزنها و تفاوت کلی در شکل و مقیاس های موجود است. به علاوه جریان مغشوش که توسط هر تیغه همزن تولید یا به آن برخورد می کند، پیچیدگی دیگر این قضیه است، با توجه به اینکه هر تیغه به دنبال یک تیغه دیگر در حرکت است. روش های تجربی موجود برای مطالعه میدان جریان مغشوش در مخازن همزن دار می تواند اطلاعات مفیدی را راجع به شکل میدان «جریان» اندازه سرعت در نقاط مختلف و شدت اغتشاش به دست بدهد. ولی روشهای تجربی اغلب دارای معایبی می باشند که می تواند ناشی از طبیعت ناپای جریان مغشوش، شکل پیچیده پره های همزن و حضور بافل در مخزن به علاوه گران و وقت گیر بودن اندازه گیری تجربی باشد. ظهور CFD و روند سریع روبه رشد آن طی دو دهه اخیر توانسته است تا حد بسیار زیادی به مطالعه میدان جریان در مخازن همزن دار کمک کند. اگرچه ممکن است CFD نتواند نیاز به انجام کارهای آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند، ولی می تواند ابزار بسیار خوبی برای هدایت نتایج تجربی و سرعت بخشیدن به حل مسائل مربوط به جریان باشد. به هرحال توسعه روزافزون روشهای جدید و دقیق تر CFD با زبان های برنامه نویسی پیشرفته و نرم افزارهای شبیه سازی می تواند در آینده حتی نیاز به داده های آزمایشگاهی را به طور کلی حذف کند. شبیه سازی CFD جریان های مغشوش طیف وسیعی از اطلاعات مثل بردارهای سرعت، انرژی جنبشی اغتشاش، شدت اتلاف انرژی و غیره را در نقاط مختلف ظرف به دست می دهد بررسی دقیق جزئیات کامل داده های تولید شده توسط شبیه سازی های CFD می تواند رفتار جریان، شکل و مسیر گردشی جریان، ساختار و رتکس و در مقیاس های کوچکتر شدت های اتلاف و تنش های رینولدز و غیره را آشکار سازد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.