مطالعه تجربی جداسازی و اختلاط ذرات جامد در بستر سیال شده
چکیده
رفتار ذرات در بستر گاز–جامد یک پارامتر کلیدی برای بهینه سازی طراحی و شرایط عملیاتی راکتورهای بستر فواره ای است. جهت توسعه و شبیه سازی بسترهای سیال، دسترسی به داده-های تجربی و اطلاع از نحوه تغییر پارامترهای موثر یک امر ضروری است. یکی از مهم ترین ویژگی بستر سیال توانایی آن در جداسازی و اختلاط ذرات جامد است. در این پژوهش، جداسازی و اختلاط ذرات جامد بر اساس اختلاف در اندازه و دانسیته ذرات در بستر فواره ای به صورت تجربی و عددی انجام شده است. مخلوطی دوتایی از ذرات ماسه، پلی اورتان و گچ جهت بررسی پارامترهای موثر در جداسازی و اختلاط ذرات جامد استفاده شده است. جهت محاسبه غلظت ذرات درون بستر و محاسبه درجه جداسازی و اختلاط ذرات جامد، از یک دوربین با سرعت بالا برای عکس برداری از بستر فواره ای بهره گرفته شده است. تصاویر رنگی گرفته شده از بستر در حین انجام آزمایش با استفاده از تکنیک آنالیز تصاویرتبدیل به تصاویر باینری شده و غلظت ذرات در بستر محاسبه و آنالیز می شود. تاثیر پارامترهای مختلف ( از جمله ارتفاع ساکن اولیه، اندازه ذرات، سرعت گاز ورودی و زاویه تیغه درون بستر) روی افت فشار بستر و مینیمم سرعت فواره ای مورد بررسی قرار گرفته است. افت فشار در بستر با افزایش سرعت گاز ورودی به بستر افزایش می یابد. سپس افت فشار بستر کاهش یافته و ثابت می ماند. نتایج نشان می دهد که حداکثر افت فشار درون بستر در مینیمم سرعت فواره ای بستر اتفاق می افتد و با افزایش زاویه بخش مخروطی و ارتفاع ساکن اوایه بستر، افت فشار و مینیمم سرعت فواره ای بستر افزایش یافته است. هم چنین افت فشار در سیستمی با ذرات هم نوع (ماسه) نسبت به سیستم ی با ذرات غیر هم نوع (گچ و پلی اورتان) بیشتر است. مینیمم سرعت فواره ای بدست آمده از مخلوط های دوتایی به صورت تجربی با روابط ارایه شده توسط محققین مقایسه شده و صحت نتایج بدست آمده با استفاده از ریشه میانگین مربعات خطا محاسبه شده است. جداسازی محوری و شعاعی ذرات مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر سرعت گاز ورودی، ارتفاع ساکن اولیه بستر، اندازه ذرات و کسر وزنی ذرات درون بستر روی رفتار ذرات در بستر فواره ای مورد بررسی قرار گرفته است و الگوی جریان درون بستر فواره ای و جداسازی و اختلاط ذرات جامد با گذشت زمان نشان داده شده است. نتایج تجربی نشان می دهد: جداسازی ذرات جامد و زمان رسیدن به تعادل با افزایش سرعت گاز ورودی به بستر و دور شدن از مینیمم سرعت فواره ای کاهش می یابد. جداسازی ذرات جامد با افزایش ارتفاع ساکن اولیه بستر و نسبت قطر ذرات افزایش یافته است. هم چنین با افزایش ذرات ریز در بستر، جداسازی در بستر کاهش یافته است. رفتار ذرات جامد در بستر فواره ای با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مدل شده است. جهت مدلسازی رفتار سیستم از دیدگاه اولری-اولری استفاده شده است. معادلات پیوستگی، ممنتوم، انرژی دانه ای، تنش و تنسور تنش برای فاز گاز و جامد نوشته شده و با استفاده از روش حجم محدود در محیط نرم افزار mfix حل شده است. توزیع سرعت و جزء حجمی گاز و ذرات جامد، توزیع فشار درون بستر و توزیع جزء جرمی ذرات مختلف جامد درون بستر فواره ای مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که: سرعت گاز در ناحیه فواره اینسبت به کناره های بستر،بیشتر بوده و نفوذ جریان گاز از ناحیه فواره ای به کناره های بستر دیده شد. ذرات درشت در قسمت فواره ای بستر و قسمت عمده ذرات ریز در کناره های بستر تجمع یافته اند. ذرات جامد نزدیک به دیواره، مسیر گردش طولانی تریدارند در حالی که ذرات جامد نزدیک به ناحیه فواره ای مسیر گردشی کوتاه تری دارند.نتایج حاصل از مدل و نتایج تجربی با هم مقایسه شده و دارای توافق خوبی هستند.