شبيه‌سازي هيدروديناميكي و انتقال حرارت رآكتورهاي تبديل كاتاليستي با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي

Simulation of Hydrodynamic and Heat Transfer Phenomena in Catalytic Reforming Reactors via CFD

دراين پژوهش شبيه‌سازي هيدروديناميكي و انتقال حرارت رآكتورهاي واحد تبديل كاتاليستي به كمك ديناميك سيالات محاسباتي انجام شده است. معادلات بقاي جرم، ممنتوم و انرژي به همراه معادلات اغتشاش به طور همزمان در المان‌هاي حجم محدود سيستم حل شده ‌است. توزيع زمان اقامت سيال در اين رآكتورها با استفاده از تكنيك تزريق پله‌اي ردياب در ورودي به دست آمده ‌است. پارامتر پراكندگي جريان در هر سه رآكتور تحت بررسي محاسبه و گزارش شده ‌است. تصحيحات ساختاري قابل قبول در سيستم جهت رسيدن به شرايط جرياني مناسب و افزايش ظرفيت انجام شده است. مشخص شد كه افزايش ظرفيت در ورودي و افزايش مقاومت‌هاي توزيع كننده‌هاي جريان، به بهبود يكنواختي جريان، كمك مي‌كند. به منظور در نظر گرفتن گرماي توليد يا مصرف شده در ناحيه متخلخل حاوي كاتاليست كه در آن واكنش‌هاي شيميايي زيادي به وقوع مي‌پيوندد، ترم‌هاي منابع چشمه يا چاه حرارتي در معادله انرژي جايگزين شده ‌است. نتايج نشان مي‌دهد كه عمده افت دما در اولين راكتور اتفاق مي‌افتد. در ادامه با تعويض شرايط عايق پوسته راكتورها، شرايط حرارتي سيستم بررسي شده‌اند. استفاده از عايقي با ضخامت دو برابر عايق كنوني يا عايقي با ضريب هدايت حرارتي كمتر (W/m. K 06/0) تقريباً معادل هم مي‌باشد كه هر يك به نوبه خود اتلاف حرارتي از سيستم را كمتر مي‌كند.

The simulation of hydrodynamic and heat transfer phenomena in a catalytic reforming reactor is performed with the help of computational fluid dynamics. The governing equations of mass, momentum, and energy conservation are simultaneously solved together with turbulence equations through finite volume elements. The residence time distribution of each reactor is obtained using step tracer injection technique. Dispersion parameter for every reactor is evaluated and reported. By modifying geometry and reactor internals, we are successful to gain uniform flow distribution and to enhance the reactor capacity. It is found that capacity enhancement and an increase in the resistance of fluid distributors can improve uniformity. To take into account the amount of heat generated or consumed by the catalytic reactions, some volumetric heat sources are defined in the energy equation. The results show that the majority of temperature fall occurs through the first reactor because of endothermic rigorous reactions. It is also found out that heat dissipation decreases up to 35%, if the insulation thickness increases twofold.