نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

شبیه‌سازی پیرولیز پلیمرها در راکتور بستر سیال جامد-گاز با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
سبحان دئفه جعفری 1
هادی سلطانی 2
مرتضی قلی‌زاده 3
1 گروه مهندسی شیمی، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر، ایران
2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه مراغه، مراغه، ایران
3 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
گسترش روزافزون محصولات پلیمری، نگرانی­ های زیست محیطی جدی را به­ دلیل تولید پسماندهای آن در سطح جهانی به‌دنبال داشته است .یکی از روش‌های مدیریت ضایعات پلیمری، استفاده از فرآیند پیرولیز است که از نظر اقتصادی مقرون ‌به‌‌صرفه بوده و می‌تواند بخشی از نیاز سوخت صنایع را تأمین کند. در این راستا شبیه‌سازی این فرآیند به‌منظور بهینه نمودن بازدهی محصولات تولیدی از اهمیت ویژه­ای برخوردار است ولی به ­واسطه پیچیدگی آن، شبیه‌سازی عددی بسترهای مخروطی شکل توسط جریان چند فازی گاز-جامد، کم‌تر مورد توجه بوده است. بنابراین در این مقاله، فرآیند پیرولیز ضایعات پلیمری در یک راکتور بستر سیال جامد-گاز مخروطی با روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیه‌سازی شد. از رویکرد اویلری همراه با نظریه‌ی جنبشی جریان‌های دانه‌ای برای شبیه‌سازی این سیستم چند فازی و تعاملات بین فازها استفاده شد. تأثیر عوامل مختلف از جمله دما، سرعت گاز و اندازه ذرات مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که دما مهم‌ترین عامل در فرآیند پیرولیز می­باشد به طوریکه با افزایش دما و در 923 کلوین، بیشترین میزان جریان گازی و کم‌ترین میزان قطران تولید می ­گردد که صرفه اقتصادی مطلوبی دارد. از طرفی سرعت جریان ورودی به‌دلیل تاثیرگذاری در پارامتر دما، تاثیر مهمی بر فرآیند تولید محصولات مطلوب دارد. به طوریکه در سرعت پایین ، ذرات به­ واسطه تماس زیاد با دیواره گرمای بیشتری جذب می ­کنند و دمای بستر زودتر افزایش می­ یابد. در مقابل با افزایش سرعت گاز ورودی، اختلاط بیشتر و حجم بیشتری از گاز بین ذرات جامد قرار می گیرد که به ­واسطه کاهش تماس ذرات و ضریب هدایت گرمایی ، افت انتقال حرارت صورت می­ گیرد. بنابراین سرعت ورودی به بستر باید در کم‌ترین مقدار بهینه تنظیم گردد. همچنین نتایج نشان داد افزایش اندازه قطر ذرات از 1 تا 3 میلی متر، دما با شیب بیشتری افزایش و بستر سریع‌تر گرم می شود.
کلیدواژه‌ها
پیرولیز
راکتور بستر سیال
شبیه‌سازی CFD
هیدرودینامیک
انتقال حرارت
پلیمر

موضوعات

[1] Budsaereechai S., Hunt A.J., Ngernyen Y.,  Catalytic Pyrolysis of Plastic Waste for the Production of Liquid Fuels for Engines. RSC Advances, RSC Adv., 9(10): 5844-5857 (2019).
[2] Miandad R., Barakat MA., Aburiazaiza AS., Rehan M., Nizami AS., Catalytic Pyrolysis of Plastic Waste: A Review, Process Saf. Environ. Prot., 102: 822–838 (2016).
[3] Barbarias I., Lopez G., Artetxe M., Arregi A., Bilbao J., Olazar M., Valorisation of Different Waste Plastics by Pyrolysis and in-Line Catalytic Steam Reforming for Hydrogen Production. Energy Convers. Manag., 156: 575–584 (2018).
[4] Al-asadi M., Miskolczi N., Eller Z., Pyrolysis-Gasification of Wastes Plastics for Syngas Production Using Metal Modified Zeolite Catalysts Under Different Ratios of Nitrogen/ Oxygen. J. Clean. Prod., 271(5): 122186 (2020).
[6] هاشمی، سیدحسین.، هاشمی، سیدعبدالرسول.، دین محمد، محمود.، نیکنام، عباس.، بهینه‌سازی دمای راکتور و وزن کاتالیست در فرآیند تبدیل ضایعات پلیمری به سوخت،  مجله مهندسی مکانیک و ارتعاشات، مقاله 6، (4)7: 41 تا 47 (1395).
[7] Awasthi A.K., Shivashankar M., and Majumder S., Plastic Solid Waste Utilization Technologies: A Review. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 263: 022024 (2017).
[8] Artetxe M., Lopez G., Amutio M., Elordi G., Olazar M, Bilbao J., Operating Conditions for the Pyrolysis of Poly-(Ethylene Terephthalate) in a Conical Spouted-Bed Reactor. Ind. Eng. Chem. Res., 49(5): 2064–2069 (2010).
[9] Saad JM., Nahil MA., Williams PT., Influence of Process Conditions on Syngas Production from the Thermal Processing of Waste High Density Polyethylene. J. Anal. Appl. Pyrolysis., 113: 35–40 (2015).
[10] Lopez G., Artetxe M., Amutio M., Bilbao J., Olazar M., Thermochemical Routes for the Valorization of Waste Polyolefnic Plastics to Produce Fuels and Chemicals. A Review. Renew. Sustain. Energy Rev., 73: 346–368 (2017).
[11] Qureshi MS., Oasmaa A., Pihkola H., Deviatkin I., Tenhunen A., Mannila J., Minkkinen H., Pohjakallio M., Laine-Ylijoki J., Pyrolysis of Plastic Waste: Opportunities and Challenges. J. Anal. Appl. Pyrolysis., 152: 104804 (2020).
[12] Sun H., Bao G., Yang Sh., Hu J., Wang H., Numerical Investigation of the Reactive Gas-Solid Characteristics in Biomass Fast Pyrolysis of Conical Spouted Reactor Equipped with Draft Tube. AlChE J. 69(11): e18200 (2023).
[13] Orozco S., Alvarez J., Lopez G., Artetxe M.,  Bilbao J., Olazar M., A Pyrolysis of Plastic Wastes in a Fountain Confned Conical Spouted Bed Reactor: Determination of Stable Operating Conditions, Energy Convers. Manag., 229(2): 113768 (2021).
[14] Fernandez E., Santamaria L., Amutio M., Artetxe M., Arregi A., Lopez G., Bilbao J., Olazar M., Role of Temperature in the Biomass Steam Pyrolysis in a Conical Spouted Bed Reactor, Energy J., 238(C): 122053 (2022).
[15] Jalalifar S., Ghiji M., Abbassi R., Garaniya V., Hawboldt K., Numerical Modelling of a Fast Pyrolysis Process in a Bubbling Fluidized Bed Reactor, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 73: 012032 (2017).
[16] Al-Salem., S.M., Thermal Pyrolysis of High Density Polyethylene (HDPE) in a Novel Fixed Bed Reactor System for the Production of High Value Gasoline Range Hydrocarbons (HC), Process Saf. Environ. Prot., 127: 171-179 (2019).
[17] Tu Q., Luo Z., Wang H., MP-PIC Simulation of the Gas-Solid Full-Loop Flow Characteristics in a Dual Fluidized Bed and Validation with Experimental Data, Chem. Eng. J., 421(1): 29835 (2021).
[18] Yang S., Wang S., Wang H., Particle-Scale Evaluation of the Pyrolysis Process of Biomass Material in a Reactive Gas-Solid Spouted Reactor, Chem. Eng. J., 421: 127787 (2021).
[19] Park HC., Choi HS.c, Fast Pyrolysis of Biomass in a Spouted Bed Reactor: Hydrodynamics, Heat Transfer and Chemical Reaction, Renew. Energy., 143: 1268-1284 (2019).
[20] Lopez G., Alvarez J., Amutio M., Hooshdaran B., Cortazar M., Haghshenasfard M., Hosseini H.S., Olazar M., Kinetic Modeling and Experimental Validation of Biomass Fast Pyrolysis in a Conical Spouted Bed Reactor, Chem. Eng. J., 373: 677-686 (2019).
[21] Qi Z., Yu A.B., A New Correlation for Heat Transfer in Particle-Fluid Beds, Int. J. Heat Mass Transf., 181: 121844 (2021) .
[22] Yang S., Wan Z., Wang S., Wang H., Reactive MP-PIC Investigation of Heat and Mass Transfer Behaviors During the Biomass Pyrolysis in a Fluidized Bed Reactor, J. Environ. Chem. Eng., 9(2): 10504 (2021).
[23] Patankar S., "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow" (eBook Published), Taylorfrancis, Boca Raton (2018).
[24] Gidaspow D., Bacelos MS., Kinetic Theory Based Multiphase flow with Experimental Verifcation, Rev. Chem. Eng., 34(3): 299–318 (2018).
[25] Park HC., Choi HS., Fast Pyrolysis of Biomass in a Spouted Bed Reactor: Hydrodynamics, Heat Transfer and Chemical Reaction, Renew. Energy.,143: 1268-1284 (2019).
[26] Liu H., Cattolica RJ., Seiser R., Liao C., Three-Dimensional Full-Loop Simulation of a Dual Fluidized-Bed Biomass Gasifier, Appl. Energy., 160: 489-501 (2015).
[27] Pallarès D., Johnsson F., A Novel Technique for Particle Tracking in Cold 2-Dimensional Fluidized Beds—Simulating Fuel Dispersion, Chem. Eng. Sci., 61(8): 2710-2720 (2006).
[28] Berg L.v., Soria-Verdugo A., Hochenauer Ch., Scharler R., Anca-Couce A., Evaluation of Heat Transfer Models at Various Fluidization Velocities for Biomass Pyrolysis Conducted in a Bubbling Fluidized Bed,    Int. J. Heat Mass Transf., 160: 120175 (2020).
[29] Uwitonze H., Kim A., Kim He., Brigljevic B., CFD Simulation of Hydrodynamics and Heat Transfer Characteristics in Gas-Solid Circulating Fluidized bed Riser Under Fast Pyrolysis Flow Condition, Appl. Therm. Eng., 212(30): 118555 (2022).
[30] Zhou L., Ma H., Liu Z., Zhao Y., Development and Verification of Coarsegrain CFD-DEM for Nonspherical Particles in a Gas-Solid Fluidized Bed, AIChE J., 68(11): e17876 (2022).
[31] Lu L., Gao X., Shahnam M., Rogers WA., Bridging Particle and Reactor Scales in the Simulation of Biomass fast Pyrolysis by Coupling Particle Resolved Simulation and Coarse Grained CFD-DEM, Chem. Eng. Sci., 216: 115471 (2020).
[32] Oyedeji O.A., Brennan Pecha M., Finney C.E.A., Peterson C.A., Smith R.G., Mills Z.G., Gao X., Shahnam M., Rogers W.A., Ciesielski P.N., Brown R.C., Parks II J.E., CFD–DEM Modeling of Autothermal Pyrolysis of Corn Stover with a Coupled Particleand Reactor-Scale Framework, Chem. Eng. J., 446: 136920 (2022).
[33] Miandad R., Barakat MA., Aburiazaiza AS., Rehan M., Nizami AS., Catalytic Pyrolysis of Plastic Waste: A Review, Process Saf. Environ. Prot., 102: 822–838 (2016).