SUPERVISOR
جواد کریمی ثابت (استاد راهنما) محسن نصراصفهانی (استاد راهنما) مسعود حق شناس فرد (استاد مشاور)
STUDENT
Younes Amini
یونس امینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
CFD simulation and construction of structured packings for cryogenic distillation application
Distillation process is one of the robust, reliable and conventional methods for direct separation method that are widely used in various industries and chemical applications. In fact, more than 90 percent of the separation units applied the distillation process. When the feed of the separation units is gas, the temperature of the system should reduce to synchronize the presence of the two phases. Hence, this process is called cryogenic distillation when the temperature is lower than 120 K. Since this process occurred in the extremely low temperature, specific packings are used. Meanwhile, the structured packing is preferred in comparison with random packing. This type of packing has significant characteristics such as specific material type, low pressure drop, low HETP and high specific surface area. In this research, structured packing is used for separation of air in cryogenic distillation. In the first step, a knowledge of construction of structured packing is obtained. In this regard, an industrial popular structured packing (sulzer-BX300) is chosen as a main model, and other initial packing are constructed based on this model. After a comprehensive studies and several construction process, a structured packing with a specific surface area of 860 m 2 m -3 are designed and fabricated. The main hydrodynamic characteristics and separation capability of this constructed structured packing are determined via standard examinations and the required data are obtained. Our findings show that our structured packings has low pressure drop in comparison to Dixon-1/4 with similar specific surface area while they have the same HETP. In this regard, four distinct models with constant specific surface area (1300 m 2 m -3 ) and different corrugation angle (30 o , 45 o , 60 o and 75 o ) are designed and fabricated. In the followings, the hydrodynamic behavior and separation performance of these packings are investigated, and it is found that reducing corrugation angle of structured packing from 75 to 30 decreases the dry and wet pressure drop 165 % and 300 %, respectively. In addition, the HETP reduced 30 % when the angle is decreased. According to analysis of two main parameters of capacity and separation efficiency, it is found that the corrugation angle of 45 o shows the efficient performance. After a long studies, structured packings with specific surface area of 2100 m 2 m -3 is designed and fabricated. Our experimental investigations show that our structured packings has low pressure drop in comparison to Dixon-1/8 with similar specific surface area while they have the same HETP. This structured packings is used for gas separation in cryogenic distillation column. The experimental findings confirm that PACK-2100 is recommended for cryogenic distillation system for gas and isotope separation. Then, Computational Fluid Dynamic is applied to simulate the flow feature and determined the main factors of this device. The results of the numerical simulation contains dry and wet pressure drop, liquid hold up, concentration distribution in PACK-2100. Three dimensional model of the PACK-2100 is used to simulate a single phase air flow. Initially, the result are compared with experimental data. The comparison of dry pressure drop show a good agreement with experimental data and subtle deficiency (about 22%) is observed. In addition, 2D model is used for investigation of the two-phase flow in the structured packing. The comparison of the experimental and numerical shows about 12% errors in the wet pressure drop. The liquid hold-up inside the structured packing is determined with the present model. Our simulation showed that the liquid hold-up of the fabricated structured packing is approximately 12% to 35% (according to F-factor) which are significantly high among the current commercial packings. The comparison of the experimental and numerical shows about 9% errors in the liquid hold up. Three dimensional model of the PACK-2100 is used to simulate two phase methanol and isopropanol flow for analyzing of mass transfer efficiency. Our results of HETP mass transfer inside structured packings present a good agreement with experimental data. According to the hydrodynamic behavior and mass transfer efficiency of the fabricated structured packings, the designed structured packing has significantly high efficiency rather than conventional random packings that are used for the separation of special purpose (system with highly low separation coefficient). Moreover, the numerical simulation confirms the results of experimental data.
تقطیر یکی از پایدارترین، قابل اعتمادترین و متداولترین تکنیک های جداسازی مستقیم است که در اکثر صنایع شیمیایی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع بیشتر از 90 درصد واحدهای جداسازی، از فرآیند تقطیر استفاده می کنند. اگر خوراک استفاده شده در واحدهای جداسازی، گاز باشد برای حضور همزمان دو فاز باید دمای سیستم را تا دماهای پایین کاهش داد. به تقطیری که در دماهای بسیار پایین(کمتر از 120)انجام میشود، تقطیر تبریدی میگویند. از آنجاییکه این فرآیند در دماهای بسیار پایین اتفاق می افتد، آکنه هایی که برای این فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند بسیار خاص می باشند. آکنه های ساختار یافته بدلیل افت فشار کمی که در مقایسه با آکنه های نامنظم دارند در اولویت قرار دارند. از جمله خصوصیاتی که این آکنه ها باید داشته باشند جنس خاص، افت فشار بسیار کم، HETP پایین، سطح ویژه بالا است. در این تحقیق از آکنه ساختاریافته جهت جداسازی هوا در ستون تقطیر تبریدی استفاده شده است. در ابتدا دستیابی به دانش ساخت آکنههای ساختاریافته مدنظر قرار گرفت. در این مرحله یک آکنه شناخته شده صنعتی (sulzer-BX300) ملاک کار قرار گرفته و آکنههای اولیه بر اساس ساختار این مدل ساخته شدند. آکنه طراحی شده با سطح ویژه m 2 m -3 860 پس از انجام یک کار مطالعاتی دقیق و طی چندین مرحله فرآیند ساختی تولید شد. همچنین جهت تعیین خصوصیات این آکنه دو سیستم مجزا جهت بررسی رفتار هیدرودینامیکی و توانایی جداسازی طراحی و ساخته شد. ویژگیهای هیدرودینامیکی و توانایی جداسازی آکنه مذکور با استفاده از تعدادی آزمایش استاندارد تعیین و دادههای مورد نیاز به شکل کامل استخراج گردید. نتایج آزمایشگاهی آکنه ساخته شده نشان داد که آکنه مذکور افت فشار بسیار کمی نسبت به آکنه نامنظم دیکسون 4/1 با سطح ویژه برابر و همچنین HETP تقریباً یکسانی با این آکنه دارد. در مرحله بعد یک آکنه ساختاریافته با سطح ویژه و تخلخل مشخص ولی با زاویه موج های مختلف (از 30 درجه تا 75 درجه) ساخته و تاثیر این زاویه بر روی عملکرد آکنه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که با کاهش زاویه از 75 درجه به 30 درجه، افت فشار خشک و مرطوب به ترتیب %165 و %300 کاهش پیدا می کند. همچنین با کاهش زاویه HETP نیز %30 درصد کاهش پیدا می کند. با در نظر گرفتن همزمان دو پارامتر ظرفیت و بازده جداسازی، در نهایت زاویه موج 45 درجه به عنوان بهترین زاویه موج انتخاب گردید. در نهایت پس از اتمام مطالعات و طراحیهای اولیه، آکنه ای با سطح ویژه m 2 m -3 2100 طراحی ساخته شد. نتایج آزمایشگاهی آکنه ساخته شده نشان داد که آکنه مذکور افت فشار بسیار کمی نسبت به آکنه نامنظم دیکسون 8/1 با سطح ویژه برابر وهمچنین HETP تقریباً یکسانی با این آکنه دارد. از آکنه مذکور جهت جداسازی ترکیبات گازی در یک ستون تقطیر تبریدی استفاده شد. نتایج حاصل از این آزمایشها نشان می دهد که آکنه PACK-2100 پیشنهاد مناسبی جهت استفاده در سیستمهای تقطیر تبریدی جهت جداسازی ترکیبات گازی و یا ایزوتوپی میباشد. در بخش شبیه سازی این تحقیق، بررسی پارامترهای هیدرودینامیکی و انتقال جرم در آکنه ساختار یافته PACK-2100 با استفاده از آنالیز CFD صورت گرفت. نتایج حاصل از آنالیز CFD سیستم شامل داده های افت فشار خشک، افت فشار مرطوب، موجودی مایع و توزیع غلظت در آکنه ساختار یافته PACK-2100 می باشد. بررسی هیدرودینامیک آکنه ساختاریافته PACK-2100 به صورت آنالیز CFD جریان تک فازی هوا بر روی یک المان سه بعدی از آکنه انجام گرفت. در این مدل، نتایج شبیه سازی نسبت به داده های تجربی در حدود %22 خطا دارد. بررسی هیدرودینامیک آکنه ساختار یافته PACK-2100 به صورت آنالیز CFD جریان دو فازی آب-هوا بر روی یک المان دو بعدی از آکنه انجام گرفت. نتایج نشان داد که مدل دو بعدی می تواند افت فشار مرطوب را به خوبی پیش بینی کند. در این مدل، نتایج شبیه سازی نسبت به داده های تجربی در حدود %12 خطا دارد. با استفاده از مدل دوبعدی پیشنهاد داده شده، موجودی مایع نیز محاسبه گردید. شبیهسازی ها نشان داد میزان موجودی مایع در این آکنه حدود %12 تا%35 (برحسب ضریب f های مختلف) میباشد، که نسبت به آکنههای تجاری عدد قابل ملاحظهای میباشد. خطای بین نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی جهت اندازه گیری موجودی مایع در حدود %9 می باشد. جهت شبیه سازی پدیده انتقال جرم در داخل آکنه PACK-2100 از یک مدل سه بعدی و با استفاده از مخلوط دو جزئی متانول-ایزوپروپانول انجام شد. خطای بین نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی جهت اندازه گیری HETP در حدود %45/20 می باشد. نتایج شبیه سازی به دلیل فرضیاتی همانند توزیع یکنواخت مایع و گاز در آکنه و در نتیجه افزایش انتقال جرم، کمتر از داده های آزمایشگاهی می باشد. در مجموع و با در نظر گرفتن همزمان پارامترهای هیدرودینامیکی و انتقال جرمی میتوان گفت آکنه جدید طراحی شده، گزینه مناسب تری جهت استفاده در فرآیندهای تقطیر تبریدی با ضریب جداسازی بسیار کوچک می باشد. نتایج حاصل از شبیهسازی در کنار نتایج حاصل شده از بررسیهای آزمایشگاهی موید این ادعا میباشد.