Modelowanie hydrodynamiki zawiesiny w reaktorze zbiornikowym z mieszadłem dwułopatkowym

Transkrypt

1 Mgr nż. Arr Wodołażs Główny Insy Górncwa Załad Oszczędnośc Energ Ochrony Powerza Pac Gwarów 1, Kaowce Modeowane hydrodynam zawesny w reaorze zbornowym z meszadłem dwłopaowym Słowa czowe: symacja CFD, zawesna cząse, reaor zbornowy z meszadłem Sreszczene: W pracy zaprezenowano meodę modeowana CFD hydrodynam zawesny w zbornowym reaorze z meszadłem. Obczena nmeryczne przeprowadzono da meszadła dwłopaowego. Podjęo anazę nad zysanem równomernego rozład cząsecze sałych zawesny w całej objęośc reaora. W arye zaprezenowano wybrane rezay symacj hydrodynam zawesny cząse sałych aazaora CO/ZnO w oej parafnowym. Badana e mały na ce oreśena pó prędośc sężena zawesny w reaorze. Obczena nmeryczne przeprowadzono da zawesny o różnej średncy cząse, gęsośc złoża w meszan bez przegród. Bra przegród mał na ce ogranczena śceranośc cząse cała sałego oraz zapewnene epszej wymane masy pomędzy fazą sałą a cełą. Wprowadzene Procesy echnoogczne przebegające w reaorze zbornowym z meszanem mechancznym są szeroo sosowane w operacjach jednosowych ach ja: rysazacja, rozpszczane czy w prowadzen reacj chemcznej w ładze rójfazowym (z zaweszonym aazaorem). W przemyśe chemcznym są o główne reacje synezy meano, Fschera-Tropscha, enana p-syen do was erefaowego czy prodcj pomerów z życem pomeryzacj zawesnowej [2,3,5]. Zaeą ład zawesnowego jes możwość zysana rch wszysch zdyspergowanych cząse zawesny w całej objęośc reaora, a aże seczna emnacja gradenów ermcznych czy sężenowych. Sje o wysoą wydajnoścą prowadzonych reacj [4]. Hydrodynamę złoża zawesnowego reaora z meszadłem można scharaeryzować poprzez pomary esperymenane b symacje nmeryczne. Obecne jedna rdno jes zmerzyć prof sężena zawesny w całej objęośc reaora, zwłaszcza w rejonach wysoej dyssypacj energ [6]. Maemayczny ops hydrodynam wywarzana ład zawesnowego jes rdnony ze wzgęd na neracje mędzy przepływem woół obracającego sę meszadła a sacjonarną przegrodą [8]. W nnych przypadach syację mogą ompować dodaowo reacje zachodzące w faze cełej w obecnośc sałego aazaora. Wpływają na o równeż paramery ae ja: weość, rodzaj czy częsość obroów meszadła. Ważnym aspeem jes onroa emperary w złoż zawesnowym, poneważ pozwaa rzymać ścśe zoermczne środowso reacj. W przypad, gdy

2 szybość wananego cepła przeracza ość cepła jaa może zosać snęa poprzez schłodzene reaora, nasępje znaczny spade wydajnośc seeywnośc reacj [4]. Jednym z podejść do rozwązana probemów zwązanych z opymazacją ład zawesnowego w reaorze zbornowym jes obczenowa dynama płynów z ang. Comper Fd Dynamcs (CFD). Pozwaa ona na epsze zrozmene proces, jego nezawodnośc bezpeczeńswa [3]. Hydrodynama ład dwfazowego w ładze ceczcało sałe w reaorze zbornowym wcąż ne jes dosaeczne zbadana oścowo opsana [1]. N.Q H.Zhang bada zjawsa hydrodynam zawesny dwfazowej w reaorze z rbną Smha Rshona [6]. W dosępnej erarze wdoczny jes bra danych na ema wpływ meszadła dwłopaowego na hydrodynamę zawesny. Ceem badań było oreśene pó prędośc sężena zawesny w reaorze da różnej średncy cząse oraz gęsośc złoża. Przeanazowano równeż wpływ cśnena dynamcznego na łopa meszadła, co odgrywa ważna roę w anaze sprawnośc meszadła oraz w prowadzen obczeń onsrcyjno wyrzymałoścowych łopae. Wyn mogą zosać wyorzysane w procese synezy meano do opymazowana oszów prodcj, w probemach dezaywacj aazaora, czy w obczenach onsrcyjno-wyrzymałoścowych łopae meszadła. 2. Meodya badań obe modeowana W nnejszej pracy do ops hydrodynam ład dwfazowego zasosowany zosał mode eerowso eerows ze sandardowym mode rbencj -ε. Mode en opera sę na równanach ranspor da neycznej energ brzwośc () szybośc jej dyssypacj (ε). Fazy: ceła sała raowane są jao nawzajem przenające onna, óre przeazją pęd, energę bądź masę sładna. Równane cągłośc (1) pęd (2) da anazowanego ład podane jes ponżej: p 0 (1) gdze:, p, oznaczają łame objęoścowy, gęsość, weor prędośc, odpowedno poprzez ndes fazę sałą b cełą. p T F C F g (2) gdze: p,,g oznacza cśnene, epość oraz przyspeszene grawacyjne, Fc- odśrodowa sła Corosa (Ocheng & Onyango, 2008), a F o sła mędzyfazową oddzaływana fazy cełej na sałą. Opór mędzyfazowy sładna w faze sałej-cecz jes czny z ponższego równana [3]: D 3 D, s s 4 d s F C s s s (3) gdze C Ds - współczynn opor czony jes z asycznego mode Schera-Namanna Sła rbennej dyspersj czona jes z [3] :

3 v T s F s CTDCD (4) s gdze: C TD -oznacza współczynn przena pęd da mędzyfazowych sł opor, v - epość rbenna, - rbenna czba Schmda, a oznacza łame objęoścowy odpowedno da fazy cełej sałej. Sandardowy mode rbencj - opsany jes równanem: P P (5) C p C 2 (6) gdze: C 1, C 2,, są o paramery da sandardowego mode - wynoszą odpowedno: C 1=1.44, C 2 =1.9, 1.0, 1. 3[3]. Trbencja fazy cełej zosała obczona bazjąc na mode rbencj Sao [7]. Trbencja fazy sałej zosała zamodeowana przy życ równana zerowego rzęd gdze epość rbencj fazy sałej jes proporcjonana do epośc fazy cełej: s s (7) gdze: jes o rbenna czba Pranda wążąca nemayczną epośc fazy sałej s do nemayczny epośc fazy cełej. Obeem badań była geomera meszana z płasm dnem z meszadłem dwłopaowym własnej onsrcj przedsawonym na rys. 1 wraz z poszczegónym wymaram w abe 1. Meszadło o znajdje sę na wysoośc h=0.14d od dna zborna. Fazę cełą zawesny sanowł oej parafnowy, a fazę sałą cząsecz aazaora CO/ZnO, órego właścwośc fzyochemczne zosały przedsawone w abe 2. Sa nmeryczne wygenerowano przy życ modł przygoowawczego MxSm wraz z ładem weoronego odnesena MRF (movng reference frame). Do wyznaczena przepływów nesaonych w czase modeowana zasosowano pae Ansys-CFX Symację prowadzono do czas =387 s z roem czasowym 0,001 s.

4 Rys. 1. Mode meszana zbornowego (po ewej-bez sa obczenowej), schema meszadła (po prawej) W obczenach meszan zbornowy podzeony zosał na dwe częśc: wewnęrzną srefę obroową zewnęrzną srefę neobroową. W ce poprawy spójnośc doładnośc obczeń mode zosał wyonany da różnych gęsośc sae. W badanach przyjęo nasępjące proszczena modeowe: -bra ogranczeń ranspor masy pomędzy fazą sałą, a cełą -bra pośzg na eemenach meszadła ścane zborna -w warnach począowych wysępje równomerne zdyspergowane zawesny na dne zborna, podczas gdy płyn pozosaje nerchomy w pozosałej częśc zborna Tabea 1. Wybrane wymary reaora oraz paramery sa Paramer Warość Średnca meszadła, mm 15 Wysoość łopae, mm 6 Objęość reaora, mm 300 Średnca reaora, mm 49,5 Wysoość reaora, mm 156 Paramery sa nmerycznej Lczba omóre obczenowych, ys. 259; 649; 953 Lczba omóre w obszarze meszadła 374,350 (sdng mesh), ys. Masymana sośność omóre sa 0,54

5 Poszczegóne paramery symacj nmerycznej zosały przedsawone w abe 2. Tabea 2. Główne paramery symacj nmerycznej fzyochemczne właścwośc ład cecz-cało sałe. Paramer Warość Prędość obroowa meszadła, obr/mn Moc meszana, W 4,8-6,5 Gęsość złoża aazaora, g/m ; 4000 Lepość zawesny, Pa s 0,001; 0,002 Weość cząse aazaora, μm 100;300 Iość oej parafnowego, m 150 Załadne aazaora, (mas.%) Omówene wynów Z przeprowadzonych obczeń zysano rozład pó prędośc zawesny w meszan da różnych prędośc obroowych meszadła, przedsawonych na rys. 2. Konry weorowe meszana z wzazacją san zawesny da 47 sendy przedsawono na rys. 3a. Najnensywnejsze meszane wysępje w srefe meszadła, przy czym zawesna cyrjąc w ern powerzchn swobodnej osągając ścanę meszana spływa w ern dna zborna. Przy małych prędoścach obroowych meszadła zaobserwowano marwe srefy zoazowane w pobż ścan zborna (rys.2a). W marę wzros prędośc obroowej meszadła (890 obr/mnę) nasępje węsze wyrównane sężena zawesny w całej objęośc reaora. W obszarze meszana wysępją charaerysyczne srry wrowe. Na podsawe wynów symacj przedsawonych na rys. 2 4 wyna, że hydrodynama zawesny w reaorze zaeży główne od prędośc obroowej meszadła, właścwośc fzyochemcznych zawesny oraz od załadn fazy sałej w zawesne. W wyn obczeń przeprowadzono równeż rozłady cśnena dynamcznego oddzaływjące na łopa meszadła (rys. 3b). Najwęsze cśnene dynamczne wywerane jes przez zawesnę na łopa w ch środowej częśc. Równeż w mejscach połączena łopa z arczą wysępją naprężena, óre naeży wzgędnć projejąc połączene. Na rys. 4 przedsawony jes znormazowany rozład sężena cząsecze sałych aazaora CO/ZnO w zaeżnośc od gęsośc złoża (rys. 4a) oraz rozmar cząse (rys. 4b). Przy czase ooło 128 se. obroów meszadła 890 obr/mn zgromadzone cząs dyspergją od dna zborna są jednorodne zaweszone. Zwęszene załadn fazy sałej aazaora wymaga znaczne węszej mocy meszadła (Rys.5a). Przy małych prędoścach obroowych zaobserwowano czne nesabnośc w ładze charaeryzjące sę nerównomernym rozproszenem zawesny w całej objęośc reaora. Na rys. 5b poazano profe rozład sładowych osowych prędośc zawesny przy różnym załadn fazy sałej (α=2,5;10% obj. da μ= Pa s, d s = 100 μm). Da począowego obcążena 2,5% fazy sałej pojawa sę charaerysyczny p osowej prędośc na ońc wrna( 0 ) gdze masymana prędość spada z do Da objęoścowego załadn fazy sałej 10% wysępje znaczne węszy spade z warośc do 0.2 0, ae rzymywany przez znaczne dłższy czas.

6 a) b) Rys. 2. Konry prędośc zawesny w płaszczyźne osowej da wybranej prędośc obroowej meszadła a) 429 obr/mn, b) 890 obr/mn a) b) Rys.3. Weory prędośc zawesny w płaszczyźne osowej da prędośc obroowej meszadła 770 obr/mn (3a), rozład cśnena dynamcznego zawesny oddzaływjący na łopa meszadła, Pa (3b).

7 Mxng power z/h z/h z/h a) b) g/m3 4000g/m m 100m C/C C/C0 Rys. 4. Znormazowane rozład sężena zawesny przy jej różnych gęsoścach (ρ=2000,4000) oraz rozmarach cząse aazaora (d s =100 µm, 300 µm) da bezwymarowej współrzędnej osowej z/h. a) b) Ina sod oadng(%) 1x10-3Pas 2x10-2Pas Rys. 5. Moc meszana da różnych epośc zawesny (µ=1 10-3, ) przy różnym załadn fazy sałej (0-10%) da d s =100 µm, ρ=2000 g/m 3 (5a). Osowy rozład prędośc ceczy przy wybranych obcążenach załadn cząse fazy sałej (α=2,5;10% obj. da µ= Pa s, d s =100 µm),(5b) /0 2,5% obj. 10 % obj. 4. Podsmowane wnos W arye przeprowadzono badana modeowe hydrodynam zawesny w reaorze z meszadłem dwłopaowym. W symacjach żyo 2-fazowego mode eerowsoeerowsego ze sandardowym modeem rbencj -. W wyn badań swerdzono nasępjące wnos:

8 -jednosowa moc meszana może zosać przewdzana da zawesny: cecz-cało sałe poprzez wprowadzene średnej gęsośc zawesny. Wraz ze wzrosem załadn fazy sałej w zawesne wymagana jes węsza moc jednosowa meszadła, a da zwęszonej epośc Pa s da zares obcążeń załadn fazy sałej (0-10%) rzymje sę na sałym pozome-rys. 5a) -wraz ze zwęszenem gęsośc zawesny oraz rozmarów cząse fazy sałej zwęsza sę ch prędość opadana, a aże zmnejsza sę jednorodność dysrybcj cząse sałych w zawesne -wyższy począowy załadne cząse fazy sałej w zawesne odpowada nejednorodnej dysrybcj cząse sałych w całej objęośc zawesny. Jednorodność zawesny może równeż zosać osągnęa poprzez zwęszene epośc rozpszczana -cśnena dynamczne wywerane przez zawesnę najbardzej oddzałje na przedną sronę łopae -wraz ze wzrosem gęsośc sa nmerycznej wysępje znaczne wydłżene czas symacj, ae pozwaa o na znaczne precyzyjnejsze wyznaczene sref o mnejszej nensywnośc meszana Lerara 1. Degon, D. A., Meyer, C. J.: CFD modeng of srred ans: Nmerca consderaons. Mneras Engneerng, 2006; 19(10): Hossen, S., Pae, D., En-Mozaffar, F., Mehrvar, M.: Sdy of sod qd mxng n agaed ans hrogh compaona fd dynamcs modeng. Indsra & Engneerng Chemsry Research 2010; 49(9): Kasa, G. R., Khopar, A. R., Ranade, V. V., Pand, A. B.: CFD smaon of qdphase mxng n sod qd srred reacor. Chemca Engneerng Scence 2008; 63(15): Monane, G., Mage, F. Modeng of sods dsrbon n srred ans: Anayss of smaon sraeges and comparson wh expermena daa. Inernaona Jorna of Compaona Fd Dynamcs 2005; 19(3): Mrhy, B. N., Ghadge, R. S., Josh, J. B.: CFD smaons of gas qd sod srred reacor. Predcon of crca mpeer speed for sod sspenson. Chemca Engneerng Scence 2007; 62(24): Q, N. N., W, G. Y., Wang, H., Zhang, K., Zhang, H.: CFD smaon of mxng characerscs n srred an by Smh rbne. Jorna of Chemca Indsry and Engneerng (Chna) 2010; 61(9): Sao, Y., Sadaom, M., Seogch, K. Momenm and hea ransfer n wo-phase bbbe fow-i. Inernaona Jorna of Mpe Fow, 1981; 7(2): Yamaza, H., Tojo, K., Myanam, K.: Concenraon profes of sods sspended n a srred an. Powder Technoogy 1986; 48(3):

9