راکتور بستر آکنده (packed bed)، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

راکتور بستر آکنده (packed bed) همراه ذرات، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (راکتور بستر آکنده)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی راکتور بستر آکنده (packed bed reactor) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

مدل‌های راکتور از شبه همگن تا ناهمگن، از یک بعدی تا سه بعدی، از الگوی جریان فرضی تا جریان محاسبه‌شده و میدان‌های انتقال متفاوت است.

راکتورهای بستر آکنده، به عنوان راکتورهای بستر ثابت (fixed-bed reactor) نیز شناخته می‌شوند، و اغلب برای فرآیندهای کاتالیزوری استفاده می‌شوند. راکتور بستر آکنده (PBR) برای واکنش‌های ناهمگن ترجیح داده می‌شود، جایی که تماس جامد و سیال به طور چشمگیری بر سرعت واکنش تأثیر می‌گذارد. راکتور بستر آکنده به صورت یک ظرف استوانه‌‎ای است که با مواد جامد (یک واکنش دهنده) پر شده است. واکنش دهنده دیگر اجازه دارد از طریق صفحه ورودی وارد بستر شود.

برای راکتور غشایی بستر سیال (fluidized bed membrane reactor)، به خوبی شناخته شده است که می‌توان به یک شرایط تقریباً هم‌دما دست یافت. در نقطه مقابل، برای راکتور غشایی بستر آکنده، افت دما در قسمت اول راکتور همیشه صرف نظر از مشخصات دما در دیواره راکتور مشاهده می‌شود.

یک راکتور بستر سیال معمولاً اجازه می‌دهد تا محصول یکنواخت‌تری نسبت به سایر طرح‌های راکتور ایجاد شود. استفاده از بسترهای سیال دارای معایبی است. برخلاف راکتورهای بستر سیال، راکتورهای بستر آکنده اختلاط ضعیفی دارند و ناهمگن هستند.

هندسه راکتور بستر آکنده به صورت دو بعدی با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی شده است. هندسه مدل به شکل مستطیلی است که طول آن برابر 120 میلی متر و عرض آن برابر 40 میلی متر است.

سپس مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshng) مش بندی شده است. مش بندی از نوع با سازمان (structured) بوده و تعداد 5000 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای شبیه سازی این راکتور بستر آکنده، از مدل چندفازی اویلرین (Eulerian Multiphase) استفاده شده است. این جریان چندفازی متشکل از جریان گازی حاوی ذرات است.

مدل حاضر وابسته به زمان بوده و از نظر زمانی به صورت ناپایا (unsteady) است. از این‌رو، از حلگر گذرا (transient) استفاده شده است.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی مربوط به فشار و سرعت و کسر حجمی (volume fraction) آب و ذرات آلومینا به دست می‌آید.

در ابتدا جریان آب وارد راکتور بستر آکنده می‌شود، از ذرات عبور می‌کند (ذرات در نیمه پایینی راکتور آکنده شده و ثابت می‌شوند) و درنهایت با همان سرعت ورودی به سمت صفحه خروجی حرکت می‌کند.

همچنین کانتور فشار استاتیکی در کل دامنه محاسباتی راکتور بستر آکنده به دست می‌آید و همان‌طور که مشاهده می‌شود، در هنگام عبور از ذرات کاهش می‌یابد و پس از آن تا رسیدن به صفحه خروجی ثابت و برابر با صفر می‌شود.