بررسی نظریه آشفتگی کولموگروف و تعیین ضریب نفوذ دارسی در بستر آکنده دوار

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

آزمایشگاه تحقیقاتی تشدید فرایندها، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه یاسوج، یاسوج،

چکیده

بستر آکنده دوار به عنوان یکی از برجسته ­ترین تجهیزات تشدید فرایند مستلزم مطابقت با نظریه­ های انتقال جرم حاکم بر سامانه­ های جداسازی است. در این میان رابطه­ ی دارسی به عنوان یکی از مطرح­ ترین مدل­ ها برای پیش ­بینی سرعت حرکت سیال در محیط­ های متخلخل و نظریه آشفتگی کولموگروف (با توجه به شرایط خاص عملیاتی  این سامانه مانند سرعت دورانی بالا) از مناسب ­ترین نظریه­ ها برای بررسی وضعیت یدرودینامیکی بستر آکنده دوار است. مطالعه تجربی ـ نظری صورت گرفته در این پژوهش بر پایه مبانی نظری مدل دارسی و همچنین نظریه آشفتگی کولموگروف است که با هدف مطالعه وضعیت افت فشار و اندازه قطره­ های موجود در سامانه (با درنظر گرفتن شرایط عملیاتی حاکم بر بستر آکنده دوار) انجام شد. معادل سازی عامل­ های اساسی هریک از این دو نظریه در این سامانه سرانجام منجر به پیش­بینی قطر متوسط قطره­ های موجود در بخش پرشده و ارایه مدلی برای ضریب نفوذ دارسی شد. در این راستا، پس از بررسی اثرپذیری  افت فشار از سه متغیر عملیاتی (سرعت چرخش بستر و نرخ جریان دو فاز ورودی درگیر در فرایند) عملکرد مدل­ ارایه شده در تعیین ضریب نفوذ دارسی ارزیابی شد. مقدار 95/0 برای عامل همبستگی در این مقایسه به روشنی بیانگر دقت قابل پذیرش فرضیه ­ها و معادل ­سازی ­های صورت گرفته بود که در نتیجه آن درستی رابطه به­ دست آمده در پیش­ بینی نظری میزان افت فشار بسترهای آکنده دوار (بدون نیاز به انجام آزمایش ­های هیدرودینامیکی) تأیید شد. افزون بر این، مقایسه مقدارهای تجربی دردسترس  قطر متوسط قطره­ های موجود در بستر (گزارش شده توسط سایر پژوهشگران در پژوهش­ های پیشین) و همچنین مقدارهای محاسبه شده با بهره ­گیری از مدل­های ارایه شده با نتیجه ­های به­ دست آمده با استفاده از مبانی نظری آشفتگی کولموگروف انجام شد که مطابق با آن قابلیت پذیرش بالا­تر این نظریه نسبت به سایر رابطه ­ها و مدل­ های ارایه شده در پیش­بینی مقدارهای نزدیک­تر با داده ­های تجربی به روشنی مشهود بود. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ramshaw, Colin, Roger H. Mallinson. Distillation, U.S. Patent No. 4,283,255. 11 Aug. (1981).

[2] Lin Ch.-CH., G.-Sh. Jian, Characteristics of a Rotating Packed bed Equipped with Blade Packings, Separation and Purification Technology, 54(1): 51-60 (2007).

[3] Lin Ch.-Ch., Chen B.-C., Carbon Dioxide Absorption in a Cross-Flow Rotating Packed Bed, Chem. Eng. Res. Des., 89(9): 1722-1729 (2011).

[4] Cheng H.-H., -S. Tan Ch., Removal of CO2 from Indoor Air by Alkanolamine in a Rotating Packed Bed, Sep. Puri. Technol., 82: 156-166 (2011).

[5] Yi F., Zou H.K., Chu G.W., Shao L., Chen J.F., Modeling and Experimental Studies on Absorption of CO2 by Benfield Solution in Rotating Packed Bed, Chem. Eng. J., 145: 377-384 (2009).

[6] Chiang C.Y., Chen Y.S., Liang M.S., Lin F.Y., Tai C.Y., Liu H.S., Absorption of Ethanol into Water and Glycerol/Water Solution in a Rotating Packed Bed, J. Taiwan Inst. Chem. Engrs., 40: 418 (2009).

[7] Lin Ch.-C., Wei T-Y., Hsu Sh-K., Liu W-T., Performance of a Pilot-Scale Cross-Flow Rotating Packed Bed in Removing VOCs from Waste Gas Streams, Separation and Purification Technology, 52(2): 274-279 (2006).

[8] Nascimento J.V.S., Ravagnani T.M.K., Pereira J.A.F.R., Experimental Study of a Rotating Packed Bed Distillation Column, Braz. Jour. Chem. Eng., 26(1): 219-226 (2009).

[9] Yang H.-J., Chu G-W., Zhang J-W., Shen Zh-G., Chen J-F., Micromixing Efficiency in a Rotating Packed Bed: Experiments and Simulation, Industrial & Engineering Chemistry Research, 44(20): 7730-7737 (2005).

[10] Xiuping L., Youzhi L., Zhiqiang L., Xiaoli W.A.N.G., Continuous Distillation Experiment with Rotating Packed Bed, Chinese Journal of Chemical Engineering, 16(4): 656-662 (2008).

[11] Wang G.Q., Xu Z.C., Yu Y.L., Ji J.B., Performance of a Rotating Zigzag Bed—a New HIGEE, Chem. Eng. Process, 47:2131-2139 (2008).

[12] Tan C.S., Lee P.L., Supercritical CO2 Desorption of Activated Carbon Loaded with 2,2,3,3-Tetrafluoro-1-propanol in a Rotating Packed Bed, Environ. Sci. Technol., 42: 2150 (2008).

[13] Lin C.C., Chen B.C., Chen Y.S., Hsu S.K., Feasibility of a Cross-Flow Rotating Packed Bed in Removing Carbon Dioxide from Gaseous Streams, Sep. Purif. Technol., 62: 507–512 (2008).

[14] Chiang C.Y., Liu Y.Y., Chen Y.S., Liu H.S., Absorption of Hydrophobic Volatile Organic Compounds by a Rotating Packed Bed, Ind. Eng. Chem. Res., 51: 9441–9445 (2012).

[15] Zhang L.L., Wang J.X., Sun Q.,. Zeng X.F, Chen J.F., Removal of Nitric Oxide in Rotating Packed Bed by Ferrous Chelate Solution, Chem. Eng. J., 181–182: 624-629 (2012).

[16] Yu C.H., Wu T.W., Tan C.S., CO2 Capture by Piperazine Mixed with Non-Aqueous Solvent Diethylene Glycol in a Rotating Packed Bed, Int. J. Green. Gas Con., 19: 503–509 (2013).

[17] Gudena K., Rangaiah G.P., Lakshminarayanan S., Optimal Design of a Rotating Packed Bed for VOC Stripping from Contaminated Groundwater, Ind. Eng. Chem. Res., 51: 835-847 (2012).

[18]  Luo Y., Chu G.W., Zou H.K., Xiang Y., Shao L., Chen J.F., Characteristics of a Two Stage Counter-Current Rotating Packed Bed for Continuous Distillation, Chem. Eng. Process., 52: 55-62 (2012).

[19] Tai C.Y., Wang Y.H., Liu H.S., A Green Process for Preparing Silver Nanoparticles Using Spinning Disk Reactor, AIChE J., 54: 445-452 (2008).

[20] Lin Ch.-Ch., Liu W.-T., Mass Transfer Characteristics of a High-Voidage Rotating Packed Bed, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 13(1): 71-78 (2007).

[21] Yang Q., Wang J.X., Guo F., Chen J.F., Preparation of Hydroxyapatite Nanoparticles by Using High-Gravity Reactive Precipitation Combined with Hydrothermal Method, Ind. Eng. Chem. Res., 49: 9857–9863 (2010).

[22] Chen Y. H., Chang C.Y., Su W.L., Chiu C.Y., Yu Y.H., Chiang P.C., Chang Ch-F., Shie J-H., Chiou Ch-S., Chiang, S-I., Ozonation of CI Reactive Black 5 Using Rotating Packed Bed and Stirred Tank Reactor, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80(1): 68-75  (2005).

[23] Chen Y.H., Chiu C.Y., Chang C.Y., Huang Y.H., Yu Y.H., Chiang P.C., Shie J-L., Chiou C.S., Modeling Ozonation Process with Pollutant in a Rotating Packed Bed, Industrial & Engineering Chemistry Research, 44(1): 21-29 (2005).

[24] Chen Y.-Sh., Lin Ch.-Ch., Liu H.-Sh., Mass transfer in a Rotating Packed Bed with Viscous Newtonian and Non-Newtonian Fluids, Industrial & Engineering Chemistry Research, 44(4): 1043-1051 (2005).

[25] Chen Y.-Sh., Lin Ch.-Ch., Liu H.-Sh., Mass Transfer in a Rotating Packed Bed with Various Radii of the Bed, Industrial & Engineering Chemistry Research, 44(20): 7868-7875 (2005).

[26] Lin Ch.-Ch., Liu W.-T., Removal of an Undesired Component from a Valuable Product Using a Rotating Packed Bed, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 12(3): 455-459 (2006).

[27] Vollmari, K., Oschmann, T., Wirtz, S., Kruggel-Emden, H., Pressure Drop Investigations in Packings of Arbitrary Shaped Particles, Powder Technology, 271: 109-124 (2015).

[28] Khooshechin, S., Safdari, J., Moosavian, M. A., Mallah, M. H., Prediction of Pressure Drop in Liquid–Liquid Pulsed Packed Extraction Countercurrent Columns, International Journal of Heat and Fluid Flow, 44: 684-691 (2013).

[29] Mayerhofer M., Govaerts j., Parmentier N., Jeanmart H., Helsen L., Experimental Investigation of Pressure Drop in Packed Beds of Irregular Shaped Wood Particles, Powder Technology, 205(1): 30-35 (2011).

[30] Koekemoer A., Luckos A., Effect of Material Type and Particle Size Distribution on Pressure Drop in Packed Beds of Large Particles: Extending the Ergun Equation. Fuel, 158: 232-238 (2015).

[31] Liu Y., Gu D., Xu C., Qi G., Jiao W., Mass Transfer Characteristics in a Rotating Packed Bed with Split Packing, Chinese Journal of Chemical Engineering, 23(5): 868-872 (2015).

[32] Lin C.C., Kuo Y.W., Mass Transfer Performance of Rotating Packed Beds with Blade Packings in Absorption of CO2 into MEA Solution. International Journal of Heat and Mass Transfer, 97: 712-718 (2016).

[33] Li X., Liu Y., Characteristics of Fin Baffle Packing Used in Rotating Packed Bed, Chinese Journal of Chemical Engineering, 18(1): 55-60 (2010).

[34] Jiao, Wei Zhou, You Zhi Liu, and Gui Sheng Qi., Gas Pressure Drop and Mass Transfer Characteristics in a Cross-Flow Rotating Packed Bed with Porous Plate Packing, Industrial & Engineering Chemistry Research, 49(8): 3732-3740 (2010).

[35] Sung, Wei-Der, Yu-Shao Chen., Characteristics of a Rotating Packed Bed Equipped with Blade Packings and Baffles, Separation and Purification Technology, 93: 52-58 (2012).

[36] Guo F., Zheng Ch., Guo K., Feng Y., C. Gardner N., Hydrodynamics and Mass Transfer
in Cross-Flow Rotating Packed Bed
, Chemical Engineering Science, 52(21): 3853-3859 (1997).

[37] Yi F., Zou H-K., Chu G-W., Chen J., Modeling and Experimental Studies on Absorption of CO2 by Benfield Solution in Rotating Packed Bed, Chemical Engineering Journal, 145(3): 377-384 (2009).

[38] Kolmogorov, Andrey Nikolaevich, The Local Structure of Turbulence in Incompressible Viscous Fluid for Very Large Reynolds Numbers, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 30(4): 9 - 13 (1941).

[39] Llerena-Chavez, H., Larachi, F., Analysis of Flow in Rotating Packed Beds via CFD Simulations—Dry Pressure Drop and Gas Flow Maldistribution, Chemical Engineering Science, 64(9): 2113-2126 (2009).

[40] Mastanaiah K., Ganic E.N., Heat Transfer in Two-Component Dispersed Flow, Journal of Heat Transfer, 103(2): 300-306 (1981).

[41] Prince M.J., Blanch H.W., Bubble Coalescence and Break-Up in Air-Sparged Bubble Columns, AIChEJ, 36: 1485-1499 (1990).