بررسي تاثير ناهمگوني و سطح مخصوص در محيط‌ هاي متخلخل بر عملكرد راكتورهاي بستر ثابت با استفاده از روش شبكه بولتزمن

Numerical Investigation of Non-homogeneity and Specific Area in Porous Media on Packed Bed Reactor Performance, Using Lattice Boltzmann Method

در اين تحقيق، واكنش كاتاليستي گاز در راكتور بستر ثابت مورد بررسي عددي قرار گرفته است. در اين فرآيند، جريان گاز از درون يك محيط متخلخل كه سطوح آن از فلز كاتاليست مس پوشانيده شده عبور نموده و واكنش شيميايي در مجاورت سطوح محيط متخلخل رخ مي‌دهد. در اين كار پژوهشي، سيال عامل ايزوپروپانول گازي بوده كه طي يك فرآيند گرماگير در كجاورت كاتاليست به هيدروژن و استون تبديل مي‌شود. از جمله پارامترهاي مورد ارزيابي در اين تحقيق سطح مخصوص و ناهمگوني اجزاء تشكيل دهنده محيط متخلخل مي‌باشند. اين بررسي در ضريب تخلخل يكسان و با استفاده از روش شبكه بولتزمن شبيه‌سازي شد و پارامترهاي نسبت تبديل واكنش دهنده و افت فشار ايجاد شده در اعداد رينولدز مختلف مورد ارزيابي و بررسي قرار گرفت. نتايج بدست آمده نشان داد كه در راكتور با سطح مخصوص بيشتر، با افزايش عدد رينولدز، نسبت تبديل واكنش دهنده به فرآورده نيز افزايش (تقريباً يك مرتبه) مي‌يابد. اما با افت فشار بيشتري (تقريباً 5 برابري) نيز مواجه مي‌شود. همچنين، گراديان دمايي در راكتور با سطح مخصوص بيشتر، يكنواخت‌تر و افت دمايي آن نيز بيشتر مي‌باشد. پارامتر ناهمگوني اجزاء نيز در دو راكتور با چيدمان كوچك به بزرگ و بزرگ به كوچك مورد بررسي قرار گرفت. نتايج افت فشار نشان داد كه هر دو راكتور از وضعيت يكساني پيروي مي كنند، اما نسبت تبديل واكنش دهنده با افزايش عدد رينولدز در راكتور با ساختار بزرگ به كوچك، اندكي بيشتر مي‌باشد.

In current research, surface reaction phenomena in several packed bed reactors have been considered. Flow field through several fractal Sierpinski carpet porous media have been simulate, using LBM. The endothermic Isopropanol dehydrogenization reaction has been considered as basic reaction mechanism and two major parameters: non-homogeneity and specific area in catalytic surface reaction have been investigated. To validate our numerical method, our results have been compared to a recent benchmark study, which adopted very well. In both cases, the porosity factor retained constant (ε=0.79). The results show that, by three times increase in specific area, the reactant conversion rate is increased significantly (approximately one order of magnitude) and the pressure drop is increased (nearly 5 times). Also, to consider non-homogeneity arrangement, the particle arrangements from small to large and from large to small have been considered. In both cases, the pressure drop is approximately the same. At low Re, reactant conversion of both arrangement are the same, but by increasing Re, the packed bed reactor with large to small arrangement has a little more reactant conversion.