شبیه سازی همزمان هیدرودینامیک و انتقال جرم در بسترهای پرشده با ذرات کروی

با پیشرفت روش های عددی و وجود ابزاری همچون دینامیک محاسباتی سیالاتی، امکان شبیه سازی جذب سطحی اجزا شیمیایی درون ستون های پرشده از ذرات جامد بوجود آمده است. در این پژوهش با استفاده از این ابزار روش جدیدی برای شبیه سازی حالت سه بعدی پدیده های انتقال (مومنتوم و جرم) و جذب فیزیکی در داخل یک ذره کاتالیست ارائه می شود. معادلات حاکم بر روی ذره ونیز معادلات انتقال جرم درون ذره همزمان با شرایط مرزی مناسب بر روی ذره کاتالیست در نرم افزار تجاری6.3.26 fluentشبیه سازی شده اند. از یک (udf) برای تعیین شرایط مرزی بر روی دیواره ذره کاتالیست استفاده شده است. به این ترتیب در سطح مشترک سیال – جامد سرعت عمودی جزء جذب شونده از فلاکس ورودی به جامد محاسبه شده و مشکلات ناشی از شار جابجایی سطح مشترک ذره- سیال و همچنین ضرایب نفوذ مرتفع شده اند. برای صحت سنجی نتایج ، اعداد بدون بعد sh حول ذره کروی مقایسه می شوند.همچنین تغییرات عدد شروود بر حسب زاویه از نقطه سکون بررسی شده و منحنی های رخنه به صورت کیفی نمایش داده شده و تاثیر سرعت و اندازه شبکه بر این نمودارها ارائه شده است. نتایج نشان دهنده آن است که از این مدل می توان برای شبیه سازی جذب سطحی بسترهای متخلخل استفاده کرد. مسیرهای سرعت و پروفیل های غلظت پیرامون ذره و نیز درون کاتالیست نشان دهنده آن است که استفاده از مدل های معمول محیط متخلخل نمی تواند حل دقیقی از مسئله را ارائه دهد. در مرحله بعد به تحلیل هیدرودینامیکی وشبیه سازی برج های پرشده ، برای چیدمان های 8 ، 14 و سه نوع چیدمان 20 تایی(روشdem) از ذرات کروی شکل پرداخته و کانتورهای مربوط به فشار و سرعت مورد بررسی قرار گرفته و نتایج مربوط به افت فشار با روابط تجربی مقایسه می شود.از طرفی تاثیر عدد رینولدز بر نمودارهای افت فشار برای ستون های پرشده 14 و 20 تایی نشان داده شده است. بردارهای سرعت وکانتورهای فشار در مقطع های مختلف دیوار ستون و در رینولدزهای مختلف نمایش داده شده است . نتایج حاکی از آن بود که مقدار سرعت در نزدیکی دیوارها و در بعضی از فضاهای بین کره ها بیشتر شده و با افزایش عدد رینولدز امکان تشکیل چرخانه ها بیشتر شده که باعث بوجود آمدن جریان های برگشتی در خروجی از بستر می شوند. همچنین با افزایش عدد رینولدز مقدار سرعت شعاعی در نزدیکی دیواره بستر نسبت به مرکز آن بیشتر شده و به شدت بر روی ضرایب انتقال حرارت و جرم دیواره(nu_w,sh_w)اثر گذاشته و باعث افزایش آن ها می شود.در انتها معادلات مربوط به انتقال مومنتوم ، انتقال جرم فاز سیال و جامد ، و همچنین جذب فیزیکی در داخل ذرات کروی برای یک برج پرشده با چیدمان 8 تایی حل شده و به دلیل کمبود نتایج آزمایشگاهی برای این نوع هندسه و همچنین عدم امکان انجام آزمایش به صورت تجربی ، فقط به صورت کیفی به تجزیه و تحلیل نتایج و منحنی های رخنه پرداخته می شود.