تعیین مشخصه‌های هیدرودینامیکی بسترهای سیال سه‌فازی به کمک پایش نوسان‌های ارتعاش

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه تهران، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشکده مهندسی شیمی، آزمایشگاه سیستم‌های چند فازی، صندوق پستی 4563 ـ 11155

2 تهران، دانشگاه تهران، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشکده مهندسی مکانیک، آزمایشگاه مودال، صندوق پستی 4563 ـ 11155

چکیده

پایش نوسان‌های ارتعاش بستر سیال سه‌فازی گاز ـ مایع ـ جامد، به عنوان روشی نوین در تعیین مشخصه‌های هیدرودینامیکی این گونه سامانه‌ها مورد ارزیابی و آزمایش قرار گرفت. بستر سیال سه‌فازی مورد مطالعه، حاوی هوا، آب و شن به عنوان سه فاز عملیاتی بود که آب به‌ صورت فاز پیوسته و هوا و ذرات شن به‌ صورت فاز های گسسته اول و دوم در نظر گرفته شد. این نوع از بسترهای سیال که آب و هوا به‌ صورت همسو و رو به بالا جریان داشته و فاز جامد از ابتدا درون بستر حضور دارد، به عنوان متداول‌ترین حالت عملیاتی بسترهای سیال سه‌فازی در صنعت شناخته می شوند. به‌منظور مطالعه هیدرودینامیک چنین سامانه پیچیده ای، استفاده از ابزارها و روش‌هایی قابل اعتماد و تا حد امکان بدون مزاحمت برای پدیده‌های درون بستر، حیاتی می‌ باشد. تحلیل سری زمانی به دست آمده از ثبت نوسان‌های ارتعاش  بستر در ارتفاع 5 /13 سانتی‌متری از توزیع کننده گاز ـ مایع، به منظور دستیابی به مشخصه‌های هیدرودینامیکی بستر سیال سه‌فازی ،در حوزه زمان (روش‌های آماری)، به عنوان روش‌های تحلیل متداول، و همچنین به‌کمک میانگین فرکانس دوره نوسان‌ها، به‌عنوان روشی نوین در تحلیل این‌گونه سامانه‌ها انجام شد. نتیجه گرفته شد که انحراف معیار نوسان‌های ارتعاش پوسته معیار خوبی برای تعیین تغییر رژیم کلی بستر بوده و تغییر شیب برجستگی نوسان‌های ارتعاش، در نزدیکی شرایط کمترین سیالیت اتفاق می‌افتد. همچنین سرعت کمترین سیالیت با دقت دلخواهی، به‌کمک میانگین نوسان‌های دوره سیگنال ارتعاش بستر، تخمین زده شد. شرایط عملیاتی متناسب با تغییر الگوی بستر که به‌کمک پایش نوسان‌های ارتعاش به دست آمد، با یافته ‌های تجربی تطابق خوبی داشته و نتیجه های کمترین سیالیت با جامع‌ترین رابطه موجود در منابع مطالعاتی هم‌خوانی بسیار خوبی داشت. سرانجام، پایش نوسان‌های ارتعاش بستر، به‌عنوان یک روش به طور کامل غیر‌تداخلی و نوین که آسیبی به هیدرودینامیک درون بستر نمی‌رساند، به عنوان روشی مؤثر در تعیین مشخصه‌های مهم هیدرودینامیکی بسترهای سیال سه‌فازی، معرفی می‌شود. نتیجه های این پژوهش به ویژه در راکتورهای صنعتی که در شرایط عملیاتی شدید از دما و/ یا فشار کار کرده و امکان دسترسی به درون آن‌ها نمی باشد، به‌آسانی قابل استفاده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Fan L.S., “Gas-liquid-solid Fluidization Engineering,” In Butterworth Series in Chemical Engineering,” Butterworth Publishers, Boston, MA (1989)
[2] Charinpanitkul T., Limsuwan P., Chalotorn C., Sano N., Yamamoto T., Tongpram P., Wongsarivej P., Soottitantawat A., W. Tanthapanichakoon, Synergetic Removal of Aqueous Phenol by Ozone and Activated Carbon Within Three-Phase Fluidized-Bed Reactor, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 16, p. 91 (2010)
[3] Nam W., Woo K., Han G.Y., Photooxidation of Anionic Surfactant (Sodium Lauryl Sulfate)
in a Three-Phase Fluidized Bed Reactor Using TiO2/SiO2 Photocatalyst, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 15, p. 348 (2009).
[4] Hossain S.M., Anantharaman N., Das M., Anaerobic Biogas Generation from Sugar Industry Wastewaters in Three-Phase Fluidized Bed Bioreactor, Indian Journal of Chemical Technology., 16, p. 58 (2009).
[5] McKnight C.A., Hackman L.P., Grace J.R., Macchi A., Kiel D., Tyler J., Fluid Dynamic Studies in Support of an Industrial Three-Phase Fluidized Bed Hydroprocessor, The Canadian Journal of Chemical Engineering., 81, p. 338 (2003).
[6] Lin C.N., Wua S.Y., Chang J.S., Chang J.S., Biohydrogen Production in a Three-Phase Fluidized Bed Bioreactor Using Sewage Sludge Immobilized by Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer, Bioresource Technology., 100, p. 3298 (2009).
[7] Raju H.P., Hossain S.M., Anantharaman N., Das M., Biodesulphurization of Natural gas in a Three-phase Fluidized Bed Bioreactor Using Thiobacillus Dentrificans, Journal of scientific and industrial research., 68, p. 406 (2009)
[8] Sarrouh B.F., da Silva S.S., Evaluation of the Performance of a Three-Phase Fluidized Bed Reactor with Immobilized Yeast Cells for the Biotechnological Production of Xylitol, International Journal. Chemical Reactor Engineering, 6, Article A75 (2008).
[9] Ensuncho L., Cuenca M.A., Legge R.L., Removal of Aqueous Phenol Using Immobilized Enzymes in a Bench Scale and Pilot Scale Three-Phase Fluidized Bed Reactor, Bioprocess and Biosystems Engineering, 27, p. 185 (2005).
[10] Lohi A., Cuenca M.A., Anania G., Upreti S.R., Wan L., Biodegradation of Diesel Fuel-Contaminated Wastewater Using a Three-Phase Fluidized Bed Reactor, Journal of Hazardous Materials., 154, p. 105 (2008).
[11] Song P.S., Choi W.K., Jung C.H., Oh W.Z., Kang S.H., Kang Y.J., Characteristics of the Copper Recovery from Wastewater in Two- and Three-Phase Fluidized Bed Reactors, Industrial and Engineering Chemistry, 12, p. 98 (2006).
[12] Souza R.R., Bresolin I.T.L., Bioni T.L., Gimenes M.L., Dias-Filho B.P., The Performance of a Three-Phase Fluidized Bed Reactor in Treatment of Wastewater with High Organic Load, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 21, p. 219 (2004).
[13] Epstein N., Three-Phase Fluidization: Some Knowledge Gaps, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 59, p. 649 (1981).
[14] Muroyama K., Fan L.S., Fundamentals of. Gas-Liquid-Solid Fluidization, AIChE J., 31, p. 1 (1985).
[15] Fraguio M.S., Cassanello M.C., Larachi F., Limtrakul S., Dudukovic M., Classifying Flow Regimes in Three-Phase Fluidized Beds from CARPT Experiments, Chemical Engineering Science, 62, p. 7523 (2007).
[16] Mena P.C., Ruzicka M.C., Rocha F.A., Teixeira J.A., Drahos J., Effect of Solids on Homogeneous-Heterogeneous Flow Regime Transition in Bubble Columns, Chemical Engineering Science, 60, p. 6013 (2005).
[17] Fan,L.S., Yang G.Q., Lee D.J., Tsuchiya K., Luo X., Some Aspects of High-Pressure Phenomena of Bubbles in Liquids and Liquid-Solid Suspensions, Chemical Engineering Science, 54, p. 4681 (1999).
[18] Ermakova A., Ziganskin G.K., Slin'ko M.G., Hydrodynamics of a Gas-Liquid Reactor with a Fluidized Bed of Solid Matter, Theoretical Foundations of  Chemical Engineering, 4, p. 84 (1970).
[19] Nacef S., Wild G., Laurent A., Scale Effects in Gas Liquid-Solid Fluidization, International Journal of Chemical Engineering, 32, p. 51 (1992).
[20] Mukherjee R.N., Bhattacharya P., Taraphdar D.K., “Fluidization and Its Applications,” ed. by Angelino, H., Couderc, J. P., Gibert, H., and C. Laguerie, 372, Cepadues-Editions, Toulouse (1974).
[21] Lee S.L.P., Soria A., de Lasa H.I., Evolution of Bubble Length Distributions in Three Phase Fluidized Beds, AIChE Journal, 36, p. 1763 (1990).
[22] Soda A., de Lasa H., Kinematic Waves and Flow Patterns in Bubble Columns and Three-Phase Fluidized Beds, Chemical Engineering Science, 47, p. 3403 (1992).
[23] Vince M.A., Lahey R.T.Jr., On the Development of an Objective Flow Regime Indicator, International Journal of Multiphase Flow, 8, p. 93 (1982).
[24] Matsui G., Automatic Identification of Flow Regimes in Vertical Two-phase Flow Using Differential Pressure Fluctuations, Nuclear Engineering and Design, 95, p. 221 (1986).
[25] Luewisuthichat W., Tsutsumi A., Yoshida K., Fractal Analysis of Particle Trajectories in Three-Phase Systems, Transactions of IChemE, 73, p. 222 (1995).
[26] Cassanello M., Larachi F., Marie M.N., Guy C., Chaouki J., Experimental Characterization of the Solid Phase Chaotic Dynamics in Three-Phase Fluidization, Industrial and Engineering Chemistry Research., 34, p. 2971 (1995).
[27] Chaouki J., Larachi F., Dudukovic M.P., “Non-invasive Monitoring of Multiphase Flows, Elsevier, Amsterdam, (1997).
[28] Zhang J.-P., Grace J.R., Epstein N., Lim K.S., Flow Regime Identification in Gas-Liquid Flow and Three-Phase Fluidized Beds, Chemical Engineering Science, 52, p. 3979 (1997)
[29] Jena H.M., Sahoo B.K., Roy G.K., Meikap B.C., Characterization of Hydrodynamic Properties of a Gas-Liquid-Solid Three-Phase Fluidized Bed with Regular Shape Spherical Glass Bead Particles, Chemical Engineering Journal, 145, p. 50 (2008).
[30] Briens L.A., Briens C.L., Hay J., Margaritis A., Minimum Liquid Fluidization Velocity in Gas-Liquid-Solid Fluidized Beds, AIChE Journal, 43, p. 1180 (1997).
[31] Ermakova A., Ziganskin G.K., Slin'ko M.G., Hydrodynamics of a Gas-liquid Reactor with a Fluidized Bed of Solid Matter, Theoretical Foundation of Chemical Engineering, 4, p. 84 (1970).
[32] Bloxom V.R., Costa J.M., Herranz J., MacWilliam G L., Roth S.R., “Determination and Correlation of Hydrodynamic Variables in a Three-Phase Fluidized Bed,” MIT Report N219; Oak Ridge National Laboratory: Oak Ridge, TN, (1975).
[33] Begovitch J.M., Watson J.S., “Hydrodynamic Characteristics of Three-Phase Fluidized Beds.” In Fluidization; Davidson J.F., Kearins D.L., Eds.; Cambridge University Press, Cambridge, pp. 190-195 (1978).
[34] Costa N., De Lucas A., Garcia P., Fluid Dynamics of Gas-Liquid-Solid Fluidized Beds, Industrial Engineering Chemistry Process Design and Development, 25, p. 849 (1986).
[35] Larachi F., Iliuta I., Rival O., Grandjean B.P.A., Prediction of Minimum Fluidization Velocity in Three-Phase Fluidized-Bed Reactors, Industrial and Engineering Chemistry Research, 39, p. 563 (2000).
[36] Zhang J., Epstein N., Grace J.R., Zhu J., Minimum Fluidization Velocity of Gas-Liquid Fluidized Beds, Transactions of IChemE, 73, p. 347 (1995).
[37] Zhang J., Epstein N., Grace J.R., Minimum Fluidization Velocities for Gas-Liquid-Solid Three-Phase Systems, PowderTechnology, 100, p. 113 (1998).
[38] Sheikhi A., “Experimental Study and Modeling of Hydrodynamics of Three-Phase Fluidized Beds,” M.Sc. Thesis, University of Tehran, Iran (2010).
[39] http://www.bksv.com/Library/Primers.aspx/Accelerometers and Conditioning, (Accessed on: Feb (2010).
[40] Abbasi M., “Determination of Fluidization Quality in Fluidized Beds Through the Vibration Analysis", M.Sc. Thesis, University of Tehran, Iran (2008).
[41] Zarghami R., “Conditional Monitoring of Fluidization Quality in Fluidized Beds,” Ph.D. Thesis, University of Tehran, Iran (2009).
[42] Dash P., Behera H., Lee I., Time Sequence Data Mining Using Time-Frequency Analysis and Soft Computing Techniques, Applied Soft Computing, 8, p. 202 (2008