مقدمه:
تانكهاي بهم زده شده با يك وسيله مكانيكي و يا يك جت مايع به طور گسترده در بسياري از پروسه هاي صنعتي كابرد دارند.اين پروسه ها شامل صنايع شيميايي،پتروشيمي،متالوژيكي مي باشد. تانكهاي بهم زن1 در پروسه هاي مختلفي ازقبيل :امتزاج، پراكنده سازي،امولوسيون،سوسپانيون،بالابردن دماو انتقام جرم كاربرد دارند.در نتيجه طيف وسيعي از تانكهاي بهمزن براي شرايط عملياتي مختلف وجود دارند.جزئيات جريان و نحوه گسترش اختلاط در تانكهاي بهمزن تاثير مهمي در بيشتر كاربردهاي
صنعتي دارد. طراحي و افزايش مقياس تانكهاي بهم زن و تعيين كميت اختلاط در آنها به طور سنتي با توسعه معادله هاي طراحي تجربي كه اساسا به خاطر وجود پيچيدگي در ديناميك جريان اختلاط است،متوقف شد ،به طور مثال تعيين واحد درجه اختلاط ، بوسيله آناليز توزيع زمان اقامت يك ردياب مورد بررسي قرار مي گرفت.اگر چه اين ديدگاه براي بسياري از كاربرد ها به اثبات رسيده است، اما نسبتاً محدود بوده،زيرا پيچيدگي جريان در بسياري از كاربردهاي اختلاطي در نظر گرفته نشده است. علاوه بر اين معادله هاي تجربي معمولاًًبراي شرايط خاص آزمايشگاهي بوده و ندرتاً در تئوريهاي توسعه يافته مشاركت دارند. اخيرا ديناميك محاسباتي جريان( CFD) و تكنيكهاي آزمايشگاهي پيشرفته از قبيل سرعت سنج ليزر داپلر (LDV) به طور گسترده اي براي درك بهتر پروسه اختلاط به كار گرفته مي شود كه شامل اطلاع از جزئيات ويژگيهاي جريان،از قبيل اطلاع از چزئيات پروسس كه براي طراحي اجزا و انتخاب آنها بسيار ضروري مي باشد. شبيه سازي كامپيوتري پديده جريان آشفته در بسياري از كاربردهاي صنعتي به طور موفقيت آميزي انجام گرفته است. پاترسون (1975 ) اصول به كار بردن مدلهاي رياضي را براي
شرايط مختلف اختلاط توصيف كرد.با پيشرفتهاي اخير در نرم افزارCFD و افزايش قدرت كامپيوتر امكان تعيين الگوي جريان و اختلاط را در تانكهاي بهمزن بوسيله شبيه سازي بيشتر از كار آزمايشگاهي فراهم آورده است پيشرفت نسبت به درك بهتر اختلاط تنها به زمينه هاي عددي به جز آزمايشگاهي محدود نبوده و در زمينه تئوري نيز پيشرفتهايي حاصل شده است. اوتينو (1990) يك تئوري سينماتيكي از نرخ اختلاط پيشنهاد داد كه يا ئو (1998) توانست يك ابزار نظري براي طراحي بهينه ميكسر و كيفيت و كميت اختلاط بر اساس تئوري اوتينو و استفاده از نتايج CFD ارائه دهد.در اين پروژه ما مطالعات خود را در مورد تاثيرات فاكتورهاي هندسي و عملياتي بر روي همگني اختلاط در تانكهاي بهمزن متمركز كرده ايم. همچنين مطالعات آزمايشگاهي و عددي انجام شده بر روي تانكهاي بهمزن را مورد بررسي قرار داديم. محاسبات مربوط به جريان مغشوش در مخزن همزندار يكي
از چالشهاي مهم در مدلهاي اغتشاش موجود است. عواملي كه باعث اين پيچيدگي مي شوند شامل طبيت ناهمگون جريان در مخازن همزندار؛ همزنها و تفاوت كلي در شكل و مقياسهاي موجود است. به علاوه جريان مغشوش كه توسط هر تيغه همزن توليد يا به آن برخورد مي كند، پيچيدگي ديگر اين قضيه است ،با توجه به اينكه هر تيغه به دنبال يك تيغه ديگر در حركت است . روشهاي تجربي موجود براي مطالعه ميدان جريان مغشوش در مخازن همزن دار مي تواند اطلاعات مفيدي را راجع به شكل
ميدان »جريان«اندازه سرعت در نقاط مختلف و شدت اغتشاش به دست بدهد.ولي روشهاي تجربي اغلب داراي معايبي مي باشند كه مي تواند ناشي از طبيعت ناپاي جريان مغشوش ، شكل پيچيده پره هاي همزن و حضور بافل در مخزن به علاوه گران و وقت گير بودن اندازه گيري تجربي باشد. ظهورCFD و روند سريع رو به رشد آن طي دو دهه اخير توانسته است تا حد بسيار زيادي به مطالعه ميدان جريان در مخازن همزن دار كمك كند.اگر چه ممكن است CFD نتواند نياز به انجام كارهاي آزمايشگاهي را به طور كلي حذف كند،ولي مي تواند ابزار بسيار خوبي براي هدايت نتايج تجربي و سرعت بخشيدن به حل مسائل مربوط به جريان باشد.به هر حال توسعه روز افزون روشهاي جديد و دقيق تر CFD با زبان هاي برنامه نويسي پيشرفته و نرم افزار هاي شبيه سازي مي تواند در آينده حتي نياز به داده هاي آزمايشگاهي را به طور كلي حذف كند. شبيه سازي CFD جريان هاي مغشوش طيف وسيعي از اطلاعات مثل بردارهاي سرعت،انرژي جنبشي اغششاش،شدت اتلاف انرژي و غيره را در نقاط
مختلف ظرف به دست مي دهد بررسي دقيق جزئيات كامل داده هاي توليد شده توسط شبيه سازي هاي CFD مي تواند رفتار جريان،شكل و مسير گردشي جريان،ساختار و رتكس و در مقياس هاي كوچكتر شدت هاي اتلاف و تنش هاي رينولدز و غيره را اشكار سازد.

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژي در سيستم اختلاط مايع -مايع امتزاج ناپذير

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژي در سيستم اختلاط مايع -مايع امتزاج ناپذير

فهرست مطالب

چكيده ………………………………………………………………………………………………………………………..1
مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………..4-2

فصل اول : كليات……………………………………………………………………………. 8-5

1 -1) هدف …………………………………………………………………………………………………………………6
1 -2)پيشينه تحقيق …………………………………………………………………………………………………….7-6
1.-3)روش كار و تحقيق …………………………………………………………………………………………………8-7

فصل دوم:اختلاط ……………………………………………………………………………..21-9

2.-1) اختلاط ……………………………………………………………………………………………………………..10
2.-1-1)كيفيت اختلاط …………………………………………………………………………………………………11-10
2-1-2)اختلاط آشفته ………………………………………………………………………………………………………11
2-.2)تانكهاي بهمزن مكانيكي …………………………………………………………………………………………12-11
2-2-.1)هندسه …………………………………………………………………………………………………………….12
2-2-1- 1)انواع پروانه ………………………………………………………………………………………………….14-13
2-2-1-1-1) پروانه هاي جريان محوري …………………………………………………………………………………14
2-2-1-1-2)پروانه هاي جريان شعاعي ………………………………………………………………………………16-15
2-2-1-2)بافلهاي ديواري …………………………………………………………………………………………………..16
2-3)الگوهاي جريان در تانكهاي بهم زن ………………………………………………………………………………20-17
2-4)ديناميكهاي جريان محاسباتي ………………………………………………………………………………………..20
2-.5)كدهاي محاسباتي ……………………………………………………………………………………………………21

فصل سوم:مروري بر كارهاي گذشته…………………………………………………….. 45-22

3-.1)كاربرد CFD در شبيه سازي جريان در مخازن همزن دار ………………………………………………………24-23
3 -1-1) روشهاي CFD مورد استفاده براي شبيه سازي ظروف همزن دار ……………………………………………24
3-1-1-1)سيستمهاي مختصات ثابت …………………………………………………………………………………27-24
3-1-1-2)سيستمهاي مختصات چرخان 34………………………………………………………………………………-27
3-1-1-3)مقايسه روشهاي مختلف …………………………………………………………………………………..35-34
3-.2)بررسي اثر پارامترهاي مختلف برروي ميدان جريان در مخازن همزن دار ………………………………………36
3-2-.1)مخازن همزندار بدون بافل …………………………………………………………………………………..38-36
3-2-2) مخازن همزن دار بافل دار …………………………………………………………………………………..40-38
3-2-3)مدلهاي كوپه اي ………………………………………………………………………………………………44-40

فصل چهارم: فرمول بندي مساله و رسيدن حل نهايي………………………………. 56-45

4 -1 )معادله هاي مدل …………………………………………………………………………………………………….46
4 -1-1)معادله هاي بقاء ………………………………………………………………………………………………47-46
4-1-1-1)پيوستگي …………………………………………………………………………………………………………47
4-1-1-2)مومنتوم ……………………………………………………………………………………………………………47
4-.2)توربولنس…………………………………………………………………………………………………………….49-48
4-2-1)مدل استاندارد k-ε .5……………..ا………………………………………………………………………………0-49
.4-2-5) مدل شبيه سازي اديهاي بزرگ …………………………………………………………………………………..51
4-3)شرايط مرزي و فرضيات در اين پروژه …………………………………………………………………………………52
4-.4)مدلهاي كوپه اي ……………………………………………………………………………………………………..52
4-4-1) فرمول بندي مدل دو كوپه اي…………………………………………………………………………………..54-52
4-4-2) تعيين پارامترهاي دو كوپه اي …………………………………………………………………………………55-54
4-4-.3)روش كلي براي تعيين پارامترهاي دو كوپه اي …………………………… ……………………………………55
4-4-3-1)توزيع دانسيته حجمي نرخ اتلاف انرژي ……………………………………………………………………56-55
4-4-3-2)اتلاف انرژي تراكمي ………………………………………………………………………………………………56
4-4-3-3)تعيين نرخ التلاف انرژي جدا كننده ……………………………………………………………………………..56

فصل پنجم: طراحي عددي …………………………………………………………………..68-57

5.-1) شبكه بندي سيستم ……………………………………………………………………………………………..60-58
5-1-1)فوايد استفاده از عناصر چهار وجهي ………………………………………………………………………………60
5-1-2)مضرات استفاده از عناصر چهار وجهي …………………………………………………………………………..60
5-1-3)مزاياي استفاده از سلولهاي شش وجهي ……………………………………………………………………….60
5-.2)خلاصه اي از روشهاي عددي ………………………………………………………………………………….61-60
5-2-1)روش حل تفكيكي ……………………………………………………………………………………………..63-61
5-2-2)روش حل پيوسته ……………………………………………………………………………………………..64-63
5-3)مجزا سازي ………………………………………………………………………………………………………66-65
5-.4)مراحل حل مساله ……………………………………………………………………………………………….68-67

فصل ششم : صحت مدل…………………………………………………………………… 81-69

6-.1)مدل آلكسوپولوس …………………………………………………………………………………………………….70
6-2)هندسه مدل استفاده شده در اين پروژه …………………………………………………………………………….71
6-3)توليد شبكه ……………………………………………………………………………………………………….73-72
6-4)معادله هاي حاكم …………………………………………………………………………………………………….73
6-5)تكنيك MFR براي شبيه سازي CFD ..ا…………………………………………………………………………75-74
6-.6)مقايسه با نتايج آلكسوپولوس ……………………………………………………………………………………..75
6-6-1)آناليز جريان ……………………………………………………………………………………………………..79-75
6-6-2)مقايسه نتايح بدست آمده …………………………………………………………………………………….81-80

فصل هفتم : بحث و نتايج…………………………………………………………………. 122-82

7-.1)انتخاب مقدار εcut ..ا……………………………………………………………………………………………..85-83
7-.2)تاثير قطر پروانه بر تقسيم بندي ………………………………………………………………………………..93-86
7-3) تاثير سرعت چرخش ………………………………………………………………………………………….101-94
7-4)تاثيرات فاصله پروانه از انتهاي تانك ………………………………………………………………………….107-102
7-5)تاثير بافل ………………………………………………………………………………………………………..112-108
7-6)استفاده از پروانه هاي مختلف ………………………………………………………………………………..122-113

فصل هشتم: نتيجه گيري و پيشنهادات……………………………………………… 125-123

.نتيجه گيري………………………………………………………………………………………………………………124
.پيشنهادات………………………………………………………………………………………………………………..125
پيوست ها …………………………………………………………………………………………………………128-126
فهرست علائم ……………………………………………………………………………………………………..130-129
منابع و ماخذ ……………………………………………………………………………………………………….138-131
فهرست منابع لاتين ……………………………………………………………………………………………….138-131
.سايت هاي اطلاع رساني………………………………………………………………………………………………….138
.چكيده انگليسي……………………………………………………………………………………………………………139

فهرست جدول ها

جدول 2-1 :دسته بندي پروانه ها و انواع ويژه آنها ………………………………………………………………………14
جدول 1-3:تخمين پارامترهاي كوپه اي …………………………………………………………………………………..44
جدول 6-2 پارامترهاي دو كوپه اي بدست آمده از نتايجCFD :تاثير سرعت چرخش ………………………………….81
.جدول7-1.پارامترهاي دو كوپه اي بدست آمده از نتايج CFD :تاثير قطر پروانه …………………………………………..87
.جدول 7-2 تاثير سرعت چرخش (3(D = T/2 & C = T/ ……ا…………………………………………………………….96
جدول 3-7 :تاثير فاصله پروانه از ا نتهاي تانك …………………………………………………………………………….104
جدول4-7 :تاثير بافل ………………………………………………………………………………………………………..108
جدول 7-5 تاثير پروانه ……………………………………………………………………………………………………..114
جدول 7-6 تاثير نوع پروانه ………………………………………………………………………………………………..114

فهرست شكل ها

شكل 2 -1: تانك اختلاط به همراه پروانه،بافل وشفت ……………………………………………………………………..31
شكل 2-2 :پروانه هاي جريان محوري (پل و همكارانش (2004)) ………………………………………………………..61
شكل 3-2 :پروانه هاي جريان شعا عي (پل و همكارانش (2004)) ……………………………………………………….61
.شكل2-4: الگوي جريان محوري: (الف) شماتيك، (ب) مـثال CFD….ا……………………………………………………..18
.شكل2-5 :الگوي جريان شعاعي: (الف) شماتيك، (ب) مـثال CFD…ا……………………………………………………..19
.شكل3-1 :نماي ناحيه قاب مرجع چرخان در يك تانك اختلاط ……………………………………………………………..33
.شكل 4 -1:مدل دو كوپه اي معرف تانك اختلاط غير هموژن ……………………………………………………………..53
.شكل 5 -1:انواع سلولهاي سه بعدي در گمبيت …………………………………………………………………………..95
.شكل 2-5:نگاهي به روش حل تفكيكي ……………………………………………………………………………………62
.شكل3-5 :نگاهي اجمالي به حل پيوسته …………………………………………………………………………………..64
.شكل 5 -4:حجم كنترلي كه براي مجزاسازي معادله اسكالر انتقال استفاده مي شود. ……………………………….66
شكل 1-6:تانك اختلاط استفاده شده توسط آلكسوپولوس…………………………………………………………………..70
7شكل2-6 :تانك اختلاط به همراه پروانه،بافل،شفت استفاده شده در اين پروژه …………………………………………71
شكل 6-3:نماي كلي تانك به همراه مش ………………………………………………………………………………………73
شكل 6-4 بردارهاي سرعت در صفحه افقي گذرنده از وسط پروانه با استفاده از روش …………………………………..77
شكل 6-5: كانتورهاي سرعت درصفحه افقي گذرنده از وسط پروانه با استفاده از روش …………………………………77
شكل 6-6 كانتورهاي سرعت درمركز تانك اختلاط با استفاده از روش MFR. .ا…………………………………………….78
شكل7-6: كانتورهاي سرعت در مركز تانك اختلاط با استفاده از روش MFR …..ا…………………………………………78
شكل 6-8 : كانتورهاي نرخ اتلاف انرژي در صفحه افقي گذرنده ازوسط پروانه با …………………………………………79
شكل7 -1: كوپه پروانه براي مقدارهاي متفاوت نرخ اتلاف انرژي εcut -off ….ا…………………………………………85
شكل 2-7 نمودارهاي تاثير قطر بر ميانگين جرم وزني اتلاف انرژي در دو ناحيه ……………………………………….٨٧
شكل 7-3 توزيع دانسته حجمي نرخ اتلاف انرژي در 2.5D = T/ …………………………………………………….ا….٩٠
شكل 7-4 توزيع دانسته حجمي نرخ اتلاف انرژي در 2D = T/..ا…………………………………………………………..90
شكل 7-5 توزيع دانسته حجمي نرخ اتلاف انرژي در 1.5D = T/.ا………………………………………………………….91
شكل 7-6 نمودار اتلاف انرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي………………………………………………………..91
شكل 7-7 نمودار اتلاف انرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي………………………………………………………..92
شكل 7-8: نمودار اتلاف انرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي……………………………………………………….92
شكل 9-7;كوپه پروانه براي قطرهاي مختلف……………………………………………………………………………….93
شكل 19-7: نرخ اتلاف انرژي بر حسب سرعت ………………………………………………………………………….٩٧
شكل 7-01: توزيع دانسيته حجمي نرخ اتلاف انرژي در rpm 100. ……………………………………………………٩٧
شكل7 -11: توزيع دانسيته حجمي نرخ اتلاف انرژي در rpm 300. …………………………………………………..٩٧
شكل 7-12 :توزيع دانسيته حجمي نرخ اتلاف انرژي در rpm400. …………………………………………………….٩٨
شكل 7-31: توزيع دانسيته حجمي نرخ اتلاف انرژي در rpm800. ……………………………………………………٩٨
شكل 7-14 :نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژيrpm 100……………………………………………..٩٩
شكل 7-15 :نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژيrpm 300…………………………………………….٩٩
شكل 7-16 :نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژيrpm 400……………………………………………١٠٠
شكل7 -71:نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژيrpm 800 ……………………………………………١٠٠
شكل 7-18 :كوپه پروانه براي مقدارهاي مختلف سرعت ……………………………………………………………..101
شكل 19-7:توزيع دانسيته حجمي بر اساس نرخ اتلاف انرژي در 3C = T/ .ا………………………………………….104
.شكل 7 -02: توزيع دانسيته حجمي بر اساس نرخ اتلاف انرژي در2C = T/……ا……………………………………..104
شكل 1-27: توزيع دانسيته حجمي بر اساس نرخ اتلاف انرژي 1.22C = T/….ا………………………………………105
شكل22-7: نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي……………………………………………………….106
شكل 23-7: نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي……………………………………………………….106
شكل24-7: نرخ اتلاف نرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف ان.رژي………………………………………………………107
شكل 25-7:كوپه پروانه براي فاصله هاي مختلف………………………………………………………………………..107
شكل26-7: توزيع دانسيته حجمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي ………………………………………………………….110
. شكل 27-7 :توزيع دانسيته حجمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي………………………………………………………..110
. شكل 28-7 :نرخ اتلاف انرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي……………………………………………………111
. شكل 29-7 :نرخ اتلاف انرژي تراكمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي…………………………………………………..111
شكل 7-13: توزيع دانسيته حجمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي در راشتون توربين ………………………………………115
شكل 7-36:توزيع دانسيته حجمي بر حسب نرخ اتلاف انرژي براي پروانه تيغه اي …………………………………..120

فصل اول : كليات
1 1-) هدف
اهداف اين پروژه به قرار زير مي باشد:
– بكارگيري مدلي شبيه ساز براي مطالعه اختلاط در تانكهاي بهم زدن مكانيكي ، و بررسي كامل تاثيرات پارامترهاي مهم شامل هندسه تانك ، نوع پروانه و سرعت چرخش بر روي اختلاط انجام گرفت.
– استفاده از مقادير نرخ اتلاف انرژي جنبشي براي تقسيم بندي تانك به كوپه هايي با مقاديريكسان.كه اين بخش بندي براي حل توزيع سايز ذرات در راكتورهاي بسپارش تعليقي ضروري مي باشد.
– صحت پيش بينيهاي مدل از لحاظ كيفيت با نتايج آزمايشگاهي به دست آمده.
– فصل اول مقدمه و اهداف پروژه مطرح شد.
– فصل دوم توضيح در مورداختلاط و نحوه اختلاط در تانكهاي بهم زن داده شد.
– فصل سوم اين پايان نامه مروري است بر كارهاي انجام شـده در گذشـته اسـت كـه شـامل روشـهايCFD مورد استفاده براي شبيه سازي مخازن همزن دار مجهز به بافل،مدلهاي منطقه اي مي باشد.
– فصل چهارم به بررسي معادله هاي مدل و بررسي انواع مدلهاي حاضر در فلوئنت پرداختيم.
– فصل پنجم به بررسي شبكه بندي سيستم و خلاصهاي از روشهاي عددي پرداختيم.
– فصل ششم به اثبات صحت مدل استفاده شده پرداختيم .
– فصل هفتم به شرح كارهاي انجام شده در اين پروژه و ارائه ي نتايج حاصل و بحث در مورد آن است .
1 -2)پيشينه تحقيق
طراحي و افزايش مقياس تانكهاي بهم زن و تعيين كميت اختلاط در آنها به طور سنتي با توسعه معادله هاي طراحي تجربي كه اساسا به خاطر وجود پيچيدگي در ديناميك جريان اختلاط است،متوقف شد ،به طور مثال تعيين واحد درجه اختلاط ، بوسيله آناليز توزيع زمان اقامت يك ردياب1 مورد بررسي قرار مي گرفت.اگر چه اين ديدگاه براي بسياري از كاربرد ها به اثبات رسيده است، اما نسبتاً محدود بوده،زيرا پيچيدگي جريان در بسياري از كاربردهاي اختلاطي در نظر گرفته نشده است. علاوه بر
اين معادله هاي تجربي معمولاًبًراي شرايط خاص آزمايشگاهي بوده و ندرتاً در تئوريهاي توسعه يافته مشاركت دارند. اخيرا ديناميك محاسباتي جريان( CFD)2 و تكنيكهاي آزمايشگاهي پيشرفته از قبيل سرعت سنج ليزر داپلر3 (LDV) به طور گسترده اي براي درك بهتر پروسه اختلاط به كار گرفته مي شود كه شامل اطلاع از جزئيات ويژگيهاي جريان،از قبيل اطلاع از چزئيات پروسس كه براي طراحي اجزا و انتخاب آنها بسيار ضروري مي باشد. شبيه سازي كامپيوتري پديده جريان آشفته در بسياري از
كاربردهاي صنعتي به طور موفقيت آميزي انجام گرفته است. پاترسون 4(1975 ) اصول به كار بردن مدلهاي رياضي را براي شرايط مختلف اختلاط توصيف كرد.با پيشرفتهاي اخير در نرم افزارCFD و افزايش قدرت كامپيوتر امكان تعيين الگوي جريان و اختلاط را در تانكهاي بهمزن بوسيله شبيه سازي بيشتر از كار آزمايشگاهي فراهم آورده است پيشرفت نسبت به درك بهتر اختلاط تنها به زمينه هاي عددي به جز آزمايشگاهي محدود نبوده و در زمينه تئوري نيز پيشرفتهايي حاصل شده است. اوتينو5 (1990) يك تئوري سينماتيكي از نرخ اختلاط پيشنهاد داد كه يا ئو6 (1998) توانست يك ابزار نظري براي طراحي بهينه ميكسر و كيفيت و كميت اختلاط بر اساس تئوري اوتينو و استفاده از نتايج CFD ارائه دهد.
1 -3)روش كار و تحقيق
در اين پروژه ما مطالعات خود را در مورد تاثيرات فاكتورهاي هندسي و عملياتي بر روي همگني اختلاط در تانكهاي بهمزن متمركز كرده ايم. همچنين مطالعات آزمايشگاهي و عددي انجام شده بر روي تانكهاي بهمزن را مورد بررسي قرار داديم. محاسبات مربوط به جريان مغشوش در مخزن همزندار يكي از چالشهاي مهم در مدلهاي اغتشاش موجود است. عواملي كه باعث اين پيچيدگي مي شوند شامل طبيعت ناهمگون جريان در مخازن همزندار؛ همزنها و تفاوت كلي در شكل و مقياسهاي موجود است. به علاوه جريان مغشوش كه توسط هر تيغه همزن توليد يا به آن برخورد مي كند، پيچيدگي ديگر اين قضيه است، با توجه به اينكه هر تيغه به دنبال يك تيغه ديگر در حركت است . روشهاي تجربي موجود براي مطالعه ميدان جريان مغشوش در مخازن همزن دار مي تواند اطلاعات مفيدي را راجع به شكل ميدان »جريان«اندازه سرعت در نقاط مختلف و شدت اغتشاش به دست بدهد.ولي روشهاي تجربي اغلب داراي معايبي مي باشند كه مي تواند ناشي از طبيعت ناپاي جريان مغشوش ، شكل پيچيده پره
هاي همزن و حضور بافل در مخزن به علاوه گران و وقت گير بودن اندازه گيري تجربي باشد. ظهورCFD و روند سريع رو به رشد آن طي دو دهه اخير توانسته است تا حد بسيار زيادي به مطالعه ميدان جريان در مخازن همزن دار كمك كند.اگر چه ممكن است CFD نتواند نياز به انجام كارهاي آزمايشگاهي را به طور كلي حذف كند،ولي مي تواند ابزار بسيار خوبي براي هدايت نتايج تجربي و سرعت بخشيدن به حل مسائل مربوط به جريان باشد.به هر حال توسعه روز افزون روشهاي جديد و دقيق تر CFD با زبان هاي برنامه نويسي پيشرفته و نرم افزار هاي شبيه سازي مي تواند در آينده حتي نياز به داده هاي آزمايشگاهي را به طور كلي حذف كند. شبيه سازي CFD جريان هاي مغشوش طيف وسيعي از اطلاعات مثل بردارهاي سرعت،انرژي جنبشي اغششاش،شدت اتلاف انرژي و غيره را در نقاط مختلف ظرف به دست مي دهد بررسي دقيق جزئيات كامل داده هاي توليد شده توسط شبيه سازي هاي CFD مي تواند رفتار جريان،شكل و مسير گردشي جريان،ساختار و رتكس و در مقياس هاي
كوچكتر شدت هاي اتلاف و تنش هاي رينولدز و غيره را اشكار سازد.

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژي در سيستم اختلاط مايع -مايع امتزاج ناپذير

شبیه سازی به همراه تحلیل عددی نرخ اتلاف انرژي در سيستم اختلاط مايع -مايع امتزاج ناپذير

فصل دوم: اختلاط 2 1-) اختلاط1:
ترم اختلاط وقتي در يك فرآيند به كار برده مي شود كه باعث كاهش غير يكنواختي يا كاهش خواص گراوياني سيستم از قبيل:دما،غلظت،و وسكيوزيته مي شود.اختلاط زماني اتفاق مي افتد كه ماده از يك ناحيه به مناطق ديگر حركت كند.در گذشته ممكن بود كه درجه هموژن سازي مورد نياز باشد اما امروزه همچنين تسهيل در انتقال حرارت و جرم كه اغلب با يك سيستم واكنشهاي شيميايي همراه است مورد توجه است.براي توليد يك مخلوط يكنواخت بوسيله اختلاط دو چيز لازم است كه اتفاق
بيفتد:
-اولاً:در اين اختلاط حتماً بايد يك جريان بالك يا هدايت گر به دور از هر گونه ناحيه با ويسكوزيته ككه معمولاً به ناحيه هاي ساكن موسومند، وجود داشته باشد.
-دوماً: حتماً بايد يك ناحيه اختلاط پر قدرت با تنش بالا، براي شكستن همگن سازي وجود داشته
باشد. انواع جريان توربولنسي و آرام به صورت همزمان در قسمتهاي مختلف ميكسر با يك ناحيه انتقالي
ذاتي بين آنها كه بستگي به ويسكوزيته اوليه و خواص مايع دارد اتفاق مي افتد.
2-1-1)كيفيت اختلاط2 :
استانداردهاي مختلفي براي اندازه گيري كيفيت اختلاط وجود دارد و رايج ترين استاندارد اين است كه 95٪ اختلاط صورت گرفته باشد.اين در صورتي تعريف مي شود كه مقدار متغير اندازه گيري شد(هدايت يا دما) در هر نقطه به طور مسائدي كمتر از باشد. كه c غلظت ردياب در هر نقطه از ظرف اختلاط و c غلظت تعادلي مي باشد. اين رابطه به اين نكته اشاره دارد كه مقدار
١ – Mixing
٢ – Quantification of Mixing
اوليه c قبل از اضافه كردن الكتروليت صفر مي باشد.استانداردهاي ديگري از قبيل 99٪ زمان اختلاط معمولاًًدر صنايعي از قبيل صنايع دارويي كاربرد دارد.
2-1-2)اختلاط آشفته1:
بيشتر واكنشهاي مهم شيميايي،عملياتهاي انتقال حرارت،فرآيندهاي احتراق و اختلاط با وجود توربولسني پيشرفت داده مي شوند. تاثير توربولسني به وجود آمدن توده مسري كوچكي از اديها و يا اجزاي واكنش دهنده است كه زمان لازم براي اختلاط مولكولي و واكنش به افزايش تماس واكنش دهنده بر روي مقياسي از سايز ادي كه مي تواند به طور موثري ارزش توليدي بسيار را از مواد شيميايي را كاهش دهد، كاهش مي دهد.جريانهاي توربولسني با ميدان سرعت نوساني مشخص مي شوند.اين نوسانات با پديده هاي انتقال نظير مومنتوم،انرژي ،انواع غلظت تركيب شده و باعث مي شوند كه پديده هاي انتقال نيز نوساني عمل كنند،از اين رو اين نوسانات مي تواند در مقياس كوچك و به صورت فركانس بالا انجام گيرند و همچنين هزينه محاسباتي آن براي شبيه سازي مستقيم در محاسبات عملي مهندسي بسيار گران مي باشد.از اينرو معادله هاي حاكم لحظه اي مي تواند، متوسط گيري زماني ،متوسط گيري جمعي و يا در غير اين صورت در مقياسهاي كوچكتر انجام بشود.در نتيجه يك مجموعه تصحيح شده از معادلات كه از لحاظ محاسباتي ارزان تر بوده براي حل به وجود آيد.البته معادله هاي تصحيح شده مادي متغيير هاي نامعلوم اضافه شده هستند و در مدلهاي توربولسني نياز به تعيين اين متغيير در ترمهاي كميتهاي معلوم داريم[1].
2-2)تانكهاي بهمزن مكانيكي2:
اختلاط تك فاز و چند فاز مايعات: اغلب در تانكهاي بهم زن انجام گرفته كه يكي از مهمترين شرايط عملياتي پايه در صنايع شيميايي و بيوتكنولوژي در كاربردهايي از قبيل تماس مايع- مايع ،
سوسپانسيون قطرات و ذرات و واكنشهاي پليمري بكار برده مي شود. فهميدن رفتار جريان درون ظروف بهم زدن براي طراحي تجهيزات و پروسه افزايش مقياس و بقاي انرژي و كنترل كيفيت محصولات بسيار ضروري مي باشد كه تنها با شبيه سازي و آناليز چند مقياسه ديناميك جريان پيچيده در پروسه اختلاط قابل دستيابي مي باشد. فرآيند اختلاط مكانيكي تجهت شرايط جريان آرام و آشفته بسته به مقدارعدد رينولدوز اتفاق مي افتد كه به صورتRe = r ND٢/h تعريف ميشود. براي رينولدز كمتر
از 01 شرايط آرام مي باشد،كه شرايط خزشي نيز ناميده مي شود. شرايط جريان توسعه يافته در رينولدز بالاتر از 4 01 اتفاق مي افتد پل (2004) [2]و جريان اتفاقي بين اين دو ناحيه واقع شده است.
٢-٢-١)هندسه:
به طور معمول تانك بهم زدن شامل يك ظرف با يك ميكسر متحرك مي باشد كه ظرف به طور معمول به صورت يك تانك عمودي استوانه اي شكل مي باشد. ميكسر دوار از قسمتهاي مختلفي تشكيل شده است:
يك پروانه ، محور، آب بند محور، جعبه دنده، نيروي محركه موتوري ، بافلهاي ديواري كه بطور كلي براي جلوگيري از چرخش بدنه جامد هنگام اختلاط آشفته و يا انتقالي استفاده مي شوند ( كه اين پديده گاهي چرخش جريان نيز مي نامند) ، همچنين باعث اختلاط محوري و پاشين تانك نيز مي شوند. شكل 2-1 ، نماي كلي يك تانك بهم زن استوانه اي عمودي با يك ميكسر كه از بالا وارده شده است را نشان مي دهد. جايي كه مايعي نيوتني با دانسيته ρ، ويسكوزيته η ، با يك پروانه اي با قطر D
بهم زده مي شود . فاصله آن از انتهاي تانك با c نشان داده مي شود. قطر ظرف T ، و عمق مايع را با H نشان مي دهيم. ارتفاع تيغه پروانه w و عرض بفل b و قطر شفت را با s نشان مي دهيم.

٢-٢-١-١)انواع پروانه:
پروانه هاي رايج براي اختلاط جريان انتقالي و آشفته در جدول1-2قرار دارند كه به طور كلي به دسته هاي مختلفي بر اساس الگوي جريان ، كاربرد آنها ،هندسه ويژه آنها، تقسيم بندي مي شوند. دسته بنديها همچنين انواع كاربرد را براي هر كدام از اين پروانه ها تعيين وتعريف مي كند. براي مثال جريان محوري براي استخراج مايعات و سوسپانسيون جامدات بكار برده مي شود در صورتيكه جريان شعاعي پروانه ها براي پراكنده سازي گازها بسيار مناسب است. توربين تيغه اي اگر چه به عنوان پروانه جريان محوري دسته بندي ميشود ولي بعضي اوقات به عنوان پروانه جريان مخلوط كننده بسته به جريان توليد شده در راستاي شعاعي و محوري تعريف مي شود. نسبت بيشتر از 55/0D/T = ، به عنوان پروانه جريان شعاعي معرفي مي شود.
٢-٢-١-١-١) پروانه هاي جريان محوري:
پروانهاي جريان محوري ( شكل 2-2) براي استخراج ، سوسپانسيون جامدات و همچنين انتقال گرما استفاده مي شوند. توربين تيغه اي نوع معمول از پروانه محوري مي باشد كه بطور معمول شامل يك توپي با تعدادي تيغه هاي جفت و جوش داده بر آن مي باشد كه اين تيغه ها مي توانند زاويه هاي بين 01 تا 09 درجه از حالت عمودي داشته باشند، اما زاويه معمول تيغه ها 54 درجه مي باشد. ديسشارژ جريان از يك پروانه تيغه اي حاوي مولفه هاي سرعت جريان شعاعي و محوري در مايعات با ويسكوزيته كم تا متوسط مي باشد و به عنوان پروانه جريان مر كب معروف مي باشد.


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان