بررسی cfd و توموگرافی (ert) اختلاط همراه با واکنش شیمیایی

چکیده اختلاط در بسیاری از فرآیندهای مهندسی شیمی نقش بسیار مهمی دارد. بنابراین بررسی این فرآیند و تقابل آن با واکنش های شیمیایی یکی از موضوعات جذاب در مهندسی شیمی می باشد. در این پایان نامه مدل سازی فرآیند اختلاط و اختلاط همراه با واکنش شیمیایی با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) به عنوان یک روش مدل سازی و توموگرافی فرایندی به عنوان یک روش آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق، روش جدید توموگرافی فرایندی که قادر است تغییرات خاصیت مورد نظر را در یک سطح بررسی کند معرفی و بکار گرفته شده است. این پایان نامه شامل سه مطالعه موردی می باشد که دو مطالعه موردی آن در قالب طرح های صنعتی انجام شده اند. در ابتدا مروری جامع بر مطالعات انجام شده در زمینه اختلاط، اختلاط همراه با واکنش شیمیایی و همچنین توموگرافی فرآیندی صورت گرفته است و فرآیند های اختلاط و واکنش شیمیایی از دیدگاه تئوری مورد مطالعه قرار گرفته و روش های مدل سازی این فرآیند ها در مقیاس های مختلف، به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته اند. پس از معرفی روش نوین توموگرافی فرآیندی، اساس و پایه ها و همچنین کاربرد های متنوع شاخه های مختلف این روش معرفی شده اند. با توجه به اینکه در این پایان نامه از توموگرافی مقاومت الکتریکی در مطالعه فرآیندهایی که دارای تغییرات هدایت الکتریکی هستند استفاده شده است، این روش به طور کامل بررسی شده و یک سیستم توموگرافی مقاومت الکتریکی(ert) 8 الکترودی طراحی و ساخته شده است و آزمایشات اولیه برای ارزیابی دقت سیستم مورد نظر بر روی آن صورت گرفته است. مطالعه موردی اول که مربوط به مدل سازی cfd اختلاط همراه با واکنش شیمیایی می باشد در قالب یک طرح صنعتی جهت خنثی سازی پساب بازی خروجی از نیروگاه بیستون کرمانشاه انجام شد. در این پروژه صنعتی تلاش شده است که مشکل زیست محیطی مربوط به این پساب بازی با خنثی سازی آن توسط تزریق اسید در ورودی مخزن و ایجاد اختلاط مناسب در داخل مخزن حل گردد. برای دستیابی به این هدف، مدل سازی اختلاط توسط جت سیال در مقیاس پایلوت و واقعی انجام شد. در مطالعات آزمایشگاهی و مدل سازی، هفت موقعیت مختلف برای نازل جت به گونه ای در نظر گرفته شد که کل مخزن را پوشش دهند. در آخر، با توجه به اطلاعات آزمایشگاهی و نتایج مدل سازی، بهترین موقعیت جهت بدست آوردن اختلاط مناسب و خنثی سازی پساب معرفی شد و پیشنهاد جهت پیاده سازی عملی سیستم اختلاط مناسب برای حل مشکل موجود ارائه گردید. در مطالعه موردی دوم، سیستم توموگرافی مقاومت الکتریکی ساخته شده برای مطالعه جریان های دوفازی در لوله های افقی و عمودی بکار گرفته شد. برای هرکدام از لوله های افقی و عمودی، سه رژیم مشهور جریان دوفازی توسط روش cfd مدل سازی شده و نتایج مربوط به مدل سازی به صورت کانتورهای فاز با تصاویر بازیابی شده حاصل از سیستم ert و همچنین تصاویر ثبت شده توسط دوربین دیجیتال هنگام انجام آزمایشات مورد مقایسه قرار گرفت. تطابق کیفی بسیار خوبی بین نتایج مدل سازی و هر دو دسته از تصاویرآزمایشگاهی مشاهده شد. در مطالعه موردی آخر، سیستم اختلاط همراه با واکنش شیمیایی در یک ظرف همزده با استفاده از مدل سازی cfd و توموگرافی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به اینکه هدف استفاده از سیستم ert بوده است در این قسمت یک واکنش تشکیل رسوب در نظر گرفته شده که در طول انجام واکنش هدایت الکتریکی محلول تغییر می کند. با توجه به اینکه واکنش مورد نظر بسیار سریع می باشد، دقت سیستم توموگرافی 8 الکترودی برای انجام آزمایشات کافی نبوده و یک سیستم توموگرافی 16 الکترودی طراحی و ساخته شد. اثر پارامترهای همچون سرعت تزریق و سرعت همزدن بر روی نحوه پیشرفت واکنش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تطابق کیفی خوبی بین نتایج پیش بینی مدل سازی cfd و تصاویر بازیابی شده حاصل از سیستم توموگرافی را نشان می دهد. نتایج کلی پایان نامه نشان می دهد که مدل سازی cfd می تواند برای مطالعه فرآیندهای اختلاط و اختلاط همراه با واکنش که دارای نقش بسیار مهمی در عملیات صنعتی و فرآیندی مربوط به صنایع شیمیایی می باشد بکار گرفته شود. همچنین توموگرافی فرآیندی نیز می تواند به عنوان یک ابزار آزمایشگاهی برای توصیف رفتار فرآیند در یک سطح (و یا یک حجم) مورد استفاده قرار گیرد که دارای ارجحیت فراوانی نسبت به بقیه روش های آزمایشگاهی که فقط قادرند تغییرات را در یک یا چند نقطه ثبت کنند می باشد. در پایان، پیشنهادات برای انجام تحقیقات دیگر در این زمینه ارائه شده است.