مدلسازي CFD و مطالعه آزمايشگاهي خشك كن بستر سيال با جريان گاز ضربه اي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

دكتري

با توجه به اهميت ذرات ريز چسبنده (گروه C) و كاربرد گسترده آن در صنايع مختلف به خصوص در صنايع داروسازي، سيالي شدن تحت جريان پيوسته با چالش هاي زيادي مانند عدم سيالي شدن، هدر رفت بالاي ذرات و سرعت پايين خشك شدن و توزيع نايكنواخت رطوبت همراه است. به دليل عدم اطلاعات كافي براي ذرات گروه C ، اين رساله با هدف بهبود كيفيت سيالي شدن و افزايش سرعت خشك شدن و جلوگيري از هدر رفت ذرات آرد گندم مرطوب با قطر متوسط 15 ميكرون (گروه C) بصورت آزمايشگاهي و مدلسازي انجام شد. پارامترهاي كمترين سرعت سيالي شدن، توزيع حجمي ذرات، توزيع اندازه ذرات، كسر خروج ذرات از بستر، تغييرات دماي بستر، سرعت خشك شدن و ميزان خروج رطوبت از ذرات مورد ارزيابي قرار گرفت. اثر اندازه متوسط زماني سرعت جريان (1.5Umf و 2Umf)، نوع جريان ورودي (پيوسته، ضربه اي و تركيبي) و محدوده فركانس 033/0 هرتز – 5 هرتز بر روي پارامترهاي ذكر شده در بستر سيال با قطر 20 سانتي متر و ارتفاع 100 سانتي متر بررسي شد. مدت زمان انجام آزمايش ها براي هيدروديناميك بستر و ميزان خروج ذرات برابر 480 ثانيه و براي خشك شدن 90 دقيقه در نظر گرفته شد. از مدل دو فازي اويلرين- اويلرين همراه با مدل موازنه جمعيتي اصلاح شده (CFD-PBM) بر مبناي تئوري DLVO براي مدلسازي فرآيند كلوخه شدن و همچنين از مدل نفوذي و معادله گان براي محاسبه انتقال جرم ذرات ريز چسبنده مرطوب استفاده شد. در مدل موازنه جمعيتي، اثر نيروهاي بين ذرات شامل: الكترواستاتيك، واندروالس و پل مايع در نظر گرفته شد. براي اطمينان از صحت مدل ارائه شده، اعتبار سنجي نتايج آزمايشگاهي با مدلسازي انجام شد. كمترين سرعت سيالي شدن در شرايط جريان ضربه اي و با افزايش فركانس از 033/0 هرتز به 5 هرتز به ترتيب 4/12% و 5/41% كاهش در مقايسه با جريان پيوسته مشاهده شد كه نشان دهنده كاهش قطر كلوخه هاي ايجاد شده است. كيفيت سيالي شدن ذرات ريز چسبنده تحت شرايط جريان پيوسته و ضربه اي در فركانس هاي پايين بسيار ضعيف است و با افزايش فركانس به 5 هرتز با غلبه بر نيروهاي جاذب كيفيت سيالي شدن بهبود يافت. حال آنكه با استفاده از جريان تركيبي در فركانس هاي پايين مي توان به كيفيت بالاي سيالي شدن با غلبه بر نيروهاي جاذب دست يافت. ميزان هدر رفت ذرات تحت جريان پيوسته بشدت زياد است و در محدوده فركانس بهينه 1/0 هرتز براي جريان ضربه اي و محدوده 033/0 هرتز – 1/0 هرتز براي جريان تركيبي سرعت و ميزان خروج ذرات حداقل است. فركانس بحراني در 5/0 هرتز مشاهده گرديد. سرعت خشك شدن ذرات با جريان هواي پيوسته و ضربه اي در فركانس پايين 033/0 هرتز به دليل سيالي شدن نايكنواخت بشدت پايين است و با افزايش فركانس به 5 هرتز افزايش يافت. تحت جريان تركيبي در فركانس پايين افزايش زياد سرعت خشك شدن به دليل بهبود كيفيتت سيالي شدن مشاهده گرديد. با ارائه مدل CFD-PBM و اعمال نيروهاي جاذب واندروالس و پل مايع و نيروي دافع الكترواستاتيك با تئوري DLVO حركت و توزيع ذرات درون بستر ، توزيع اندازه ذرات و سرعت خشك شدن بطور كامل پيش بيني شد. نتايج نشان داد در شرايط جريان ضربه اي در فركانس هاي بالا و تحت جريان تركيبي در فركانس هاي پايين كيفيت بالاي سيالي شدن با توزيع يكنواخت و كاهش قطر كلوخه ها حاصل گرديد. كاهش 41% و 21% قطر آگلومره هاي ايجاد شده تحت جريان تركيبي با فركانس 033/0 هرتز به ترتيب در مقايسه با جريان پيوسته و ضربه اي در فركانس 033/0 هرتز مشاهده گرديد. بيشترين مقدار سرعت خشك شدن ذرات و مقدار رطوبت خارج شده در حدود 78% براي شرايط جريان تركيبي با فركانس 033/0 هرتز و كمترين مقدار براي جريان پيوسته در حدود 17% حاصل گرديد. همچنين در شرايط جريان تركيبي با فركانس 033/0 هرتز با بالا بودن سرعت خشك شدن ذرات به دليل انتقال حرارت و رطوبت بالا، افزايش دماي نهايي ذرات جامد كمتر است كه براي مواد حساس به حرارت بسيار حائز اهميت است. با توجه به نتايج آزمايشگاهي و مدلسازي، سيالي شدن ذرات ريز چسبنده تحت جريان هواي تركيبي در فركانس هاي پايين به منظور دستيابي به كيفيت بالاي سيالي شدن و افزايش سرعت خشك شدن با حداقل هدر رفت ذرات از بستر پيشنهاد مي شود كه به عنوان دستاورد جديد در اين رساله ارائه شده است.

231485

پديده هاي انتقال

پرديس

دانشگاه صنعتي اصفهان