بررسی اثر دمای سیال و بستر روی توزیع جریان و دما در راکتور بستر ثابت به کمک دینامیک سیالات محاسباتی

راکتورهای بستر ثابت سهم زیادی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی دارند. درک کیفی خوب و توصیف کمی دقیق انتقال حرارت در راکتورهای بستر ثابت برای مدل سازی این تجهیزات لازم است. مدل های انتقال حرارت در راکتورهای بستر ثابت بر اساس مدل های سنتی ارائه شده در راکتورها با نسبت قطر لوله به ذره(n) بالا می باشد، که گرادیان دما در آنها کم است. راکتورها با n کم در فرآیندهای بسیار گرما گیر و گرما زا استفاده می شوند. یکی از مشکلات اصلی در زمینه مدل سازی انتقال حرارت در این راکتورها، بدست آوردن یا اندازه گیری پروفیل دمای درون بستر پر شده می باشد. تکنیک های اندازه گیری متفاوت یکی از دلایلی است که مدل های متفاوت بسیار زیادی تاکنون در مراجع بیان شده است. کارهای بسیاری توسط محققین برای بررسی هیدرودینامیک و انتقال حرارت در راکتورهای بستر ثابت با استفاده از cfd انجام شده است. با توجه به مطالعات انجام شده اثر شرایط دمایی سیال و بستر بر میزان انتقال حرارت و همچنین اثر جنس ذرات درون بستر بر توزیع دما و انتقال حرارت مورد بررسی قرار نگرفته است، لذا در این پژوهش هدف بررسی این شرایط با استفاده از cfd می باشد زیرا بنظر می رسد بررسی عملکرد راکتور در شرایط دمایی مختلف می تواند منجر به درک بهتر انتقال حرارت درون بستر شود که سبب افزایش راندمان تولید می شود. طراحی بستر ثابتی با n=5 و تعداد 95 ذره کروی از جنس آهن، نیکل و کبالت انجام شد. با استفاده از نتایج شبیه سازی پروفیل سرعت و توزیع دما در بستر تجزیه و تحلیل شده است. بردارهای سرعت درون بستر ثابت نشان می دهد که افزایش عدد رینولدز منجر به افزایش اختلاط درون بستر و ایجاد جریان های گردابی بین لایه های ذرات شده که باعث افزایش میزان انتقال حرارت در بستر می شود. کانتورهای دمایی درون بستر تأثیر شدید الگوی جریان بر پروفیل دما را نشان می دهد. پروفیل دما در بستر برای جریان با رژیم های آرام و ناآرام در شرایط دمایی متفاوت بررسی و نتیجه شد که بیشترین میزان انتقال حرارت در بستر برای حالتی که شار حرارتی در سطح ذرات تولید شود، اتفاق می افتد. تغییرات دما در طول بستر برای شرایط دمایی مختلف در رژیم های آرام و ناآرام جریان بررسی شده است. مشاهده شد که در رژیم های جریان آرام تغییرات دما بسیار سریع تر از رژیم های نا آرام رخ می دهد. همچنین در این کار اثر جنس ذرات بر نحوه ی جریان سیال و انتقال حرارت در بستر بررسی شده است و نشان داده شد که ذرات کبالت دارای کمترین اندازه ی سرعت و همچنین کمترین تغییرات دمایی در طول بستر تحت شرایط دمایی مشابه در مقایسه با ذرات آهن و نیکل می باشد. برای اعتبار سنجی شبیه سازی، نتایج آن با نتایج بدست آمده از روابط تجربی موجود در مقالات مقایسه شده است و سازگاری بسیار خوب بین این نتایج مشاهده شد. بطور کلی می توان نتیجه گرفت cfd فناوری توانمند برای طراحی راکتورهای بستر ثابت است.