بررسی پارامتر‌های موثر بر هیدرودینامیک بستر پرشده دوار به کمک دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله شیمی

نویسندگان

1 دانشگاه محقق اردبیلی

2 گروه مهندسی شیمی دانشگاه محقق اردبیلی

10.22075/jme.2019.15181.1508

چکیده

بستر‌های پرشده دوار در بسیاری از فرایند‌های مهندسی شیمی از قبیل تقطیر، جذب، تهیه‌ی نانو ذرات، شیرین‌سازی گازترش و غیره استفاده می-شوند. آنالیز جریان سیال در این تجهیزات برای بدست آوردن اطلاعات هیدرودینامیکی و بررسی پدیده انتقال در آن‌ها لازم است. در این مقاله شبیه-سازی سه‌بعدی جریان‌های تک فازی و دو‌فازی درون بستر پرشده دوار با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی انجام می شود. اثر برخی پارامتر‌ها از قبیل سرعت چرخش، دبی های گاز و مایع، اثر تعداد روزنه های روتور، وجود بافل ثابت و متحرک بر افت فشار بررسی می شوند. آنالیز جریان تک فازی نشان دادکه مولفه سرعت مماسی نسبت به مولفه‌های سرعت‌شعاعی و محوری تاثیر بیش‌تری بر مقدار سرعت دارد. نتایج شبیه‌سازی ها نشان داد که با افزایش دبی گاز، افت فشار برای هر دو حالت بستر خشک و بستر مرطوب افزایش می‌یابد بطوریکه متوسط خطا نتایج شبیه سازی با داده های تجربی در حالت بدون بافل و با بافل به ترتیب برابر 3/5 و 6/3 درصد می باشد. هم‌چنین مشخص شد که افزایش دبی مایع تأثیر کمی برافت فشار دارد. مشاهده شد که با افزایش سرعت چرخش و تعداد روزنه های روتور افت فشار بستر دو‌فازی افزایش می یابد. وجود بافل متحرک درون بستر سبب کاهش 14 درصدی افت فشار بستر مرطوب شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of effective parameters on hydrodynamics of rotating packed bed using computational fluid dynamics

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Miroliaei 1
  • Shamsedin Ghourejili 2
2 Department of Chemical Engineering, University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

Rotating Packed Beds (RPBs) are used in many processes of chemical engineering, such as distillation, absorption, production of nanoparticles, natural gas sweetening, and etc. The fluid flow analysis in this equipment is necessary to obtain the hydrodynamic information and investigation of transport phenomena. In this paper, 3D simulation of single phase and two phase flows are carried out using Computational Fluid Dynamics (CFD). The effect of some parameters such as rotational speed, gas and liquid flow rates, number of rotor holes, fixed and moving baffle are investigated on the pressure drop. The single phase flow analysis showed that the tangential velocity has the most effect on the velocity magnitude comparison with the radial and axial velocities. The simulation results showed that dry and wet pressure drop increase with increasing gas flow rate as the average errors between experimental data and simulation results with and without baffle are 5.3% and 3.6%, respectively. It was also known that increasing liquid flow rate has negligible effect on the pressure drop. It was seen that wet pressure drop increases with increasing both rotational speed and rotor holes. The moving baffle insertion into the bed was caused that wet pressure drop decreases 14%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pressure drop
  • Flow analysis
  • Fixed and moving baffle
  • Rotating packed bed
  • Computational fluid dynamics
[1] A. Mondal, A. Pramanik, A. Bhowal and S. Datta, "Distillation studies in rotating packed bed with split packing", Chemical Engineering Research and Design, Vol. 90, No. 4, 2012, pp. 453-457 .
[2] L. Xiuping, L. Youzhi, L. Zhiqiang and W. Xiaoli, "Continuous distillation experiment with rotating packed bed", Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 16, No. 4, 2008, pp. 656-662.
[3] W. Wei, Z. Haikui, C. Guangwen, Y. XIANG, P. Han and C. Jianfeng, "Effects of assistant solvents and mixing intensity on the bromination process of butyl rubber", Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 22, No. 4, 2014, pp. 398-404 .
[4] W. Wang, H. Zou, G. Chu, Z. Weng and J. Chen, "Bromination of butyl rubber in rotating packed bed reactor", Chemical engineering journal, Vol. 240, 2014, pp. 503-508
[5] C. Tsai and Y. Chen, "Effective interfacial area and liquid-side mass transfer coefficients in a rotating bed equipped with baffles", Separation and purification technology,Vol. 144, 2015, pp. 139-145 .
[6] C. Lin and Lin, "Feasibility of using a rotating packed bed with blade packings to produce ZnO nanoparticles", Powder Technology, Vol. 313, 2017, pp. 60-67.
[7] C. Lin, T. Wei, S. Hsu and W. Liu, "Performance of a pilot-scale cross-flow rotating packed bed in removing VOCs from waste gas streams", Separation and purification technology, Vol. 52, No. 2, 2006, pp. 274-279.
[8] C. Tan and J. Chen, "Absorption of carbon dioxide with piperazine and its mixtures in a rotating packed bed", Separation and purification technology, Vol. 49, No. 2, 2006, pp. 174-180.
[9] M. Lockett, "Flooding of rotating structured packing and its application to conventional packed-columns", Chemical engineering research and design, Vol. 73, No. 4, 1995, pp. 379-384.
[10] C. Lin, B. Chen, Y. Chen and S. Hsu, "Feasibility of a cross-flow rotating packed bed in removing carbon dioxide from gaseous streams", Separation and purification technology, Vol. 62, No. 3, 2008, pp. 507-512.
[11] B. Zhao, W. Tao, M. Zhong, Y. Su and G. Cui, "Process, performance and modeling of CO 2 capture by chemical absorption using high gravity: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 65,2016, pp. 44-56.
[12] B. Zhao, Y. Su and W. Tao, "Mass transfer performance of CO2 capture in rotating packed bed: dimensionless modeling and intelligent prediction", Applied Energy, Vol. 136, 2014, pp. 132-142 .
[13] M. Keyvani and N. Gardner, "Operating characteristics of rotating beds", Chemical engineering progress, Vol. 85, No. 9, 1989, pp. 48-52.
[14] J. Burns, J. Jamil and C. Ramshaw, "Process intensification: operating characteristics of rotating packed beds—determination of liquid hold-up for a high-voidage structured packing", Chemical Engineering Science, Vol. 55, No. 13, 2000, pp. 2401-2415.
[15] K. Guo, F. Guo, Y. Feng, J. Chen, C. Zheng and N. Gardner, "Synchronous visual and RTD study on liquid flow in rotating packed-bed contactor", Chemical Engineering Science, Vol. 55, No. 9, 2000, pp.1699-1706.
[16] C. Lin and G. Jian, "Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings", Separation and purification technology, Vol. 54, No. 1, 2007, pp. 51-60.
[17] W. Jiao, Y. Liu and G. Qi, "Gas pressure drop and mass transfer characteristics in a cross-flow rotating packed bed with porous plate packing", Industrial and engineering chemistry research, Vol. 49, No. 8, 2010, pp. 3732-3740.
[18] W. Yang, Y. Wang, J. Chen and W. Fei, "Computational fluid dynamic simulation of fluid flow in a rotating packed bed", Chemical engineering journal,Vol. 156, No. 3, 2010, pp. 582-587.
قوره جیلی و میراولیایی 45
مجله مدل سازی در مهندسی سال هفدهم، شماره 59 ، زمستان 1398
[19] W. Sung and Y. Chen, "Characteristics of a rotating packed bed equipped with blade packings and baffles", Separation and purification technology, Vol. 93, 2012, pp. 52-58.
]20[ مدلسازی بستر سیال فرایند « ، فاطمه یحییزاده ساروی، محمدرضا قاسمی و علی حکمت ناظمی FCC بر مبنای تغییر اندازه ذرات
مجله مدلسازی در مهندسی، سال دهم، شماره ،» کلاستر در طول رایزر 30 ، پاییز 1391 ، صفحه 87 - 97 .
]21[ بررسی عددی پارامترهای مؤثر بر عملکرد مدل برهمکنش ادی و قطره برای کاربرد « ، محمدهادی حامدی استخری سر و روحالله رفعی
مجله مدلسازی در مهندسی، سال دهم، شماره ،» در قطرهگیر زیگزاگی ساده با ضخامت موجدار 31 ، زمستان 1391 ، صفحه 69 - 84 .
[22] X. Shi, Y. Xiang, L. Wen and J. Chen, "CFD analysis of liquid phase flow in a rotating packed bed reactor", Chemical engineering journal, Vol. 228, 2013, pp. 1040-1049.
]23[ سینتیک و پدیدههای انتقال در جفت شدن اکسایشی متان: مدلسازی « ، نکیسا یعقوبی، رامین مغریب و سیاوش سیدنژادیان CFD
مجله مدلسازی در مهندسی، دوره ،» در مقیاس دانهای 12 ، شماره 39 ، زمستان 1393 ، صفحه 123 - 141 .
]24[ مجله ،» بررسی اثر مدل اغشاش بر هیدرولیک سینی غربال « ، نورالله کثیری، محمد ذاتخواهی، محمدحسن خاناف و جواد ایوکپور
مدلسازی در مهندسی، سال سیزدهم، شماره 42 ، پاییز زمستان 1394 ، صفحه 79 - 86 .
[25] L. Sang, Y. Luo, G. Chu, J. Zhang, Y. Xiang and J. Chen, "Liquid flow pattern transition ,droplet diameter and size distribution in the cavity zone of a rotating packed bed: A visual study", Chemical Engineering Science, Vol. 158, 2017, pp. 429-438.
[26] P. Xie, X. Lu, X. Yang, D. Ingham, L. Ma and M. Pourkashanian, "Characteristics of liquid flow in a rotating packed bed for CO2 capture: A CFD analysis", Chemical Engineering Science, Vol. 172, 2017, pp. 216-229.
[27] Y. Liu, Y. Luo, G. Chu, J. Luo, M. Arowo and J. Chen, "3D numerical simulation of a rotating packed bed with structured stainless steel wire mesh packing", Chemical Engineering Science, Vol. 170, 2017, pp. 365-377.
[28] X. Lu, P. Xie, D.B. Ingham, L. Ma and M. Pourkashanian, "A porous media model for CFD simulations of
gas-liquid two-phase flow in rotating packed beds", Chemical Engineering Science, Vol. 189, 2018, pp. 123-134.
[29] ANSYS FLUENT 12.0.16, Theory Guide, ANSYS Inc., 2009.