مدلسازي CFD پيش گرم كن هيدروژن واحد پايلوت ارتقاي پس ماندهاي نفتي

CFD Modeling of Hydrogen Preheater of the Residue Upgrading Pilot Plant

در اين مطالعه پيش گرم كن هيدروژن يك واحد نيمه صنعتي با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي شبيه سازي شده است. با حل معادلات حاكم در دو بخش محتوي پركن و بدون پركن، تجزيه و تحليل هيدروديناميكي و حرارتي سيستم انجام شده است. نتايج نشان مي دهند كه طراحي پيش گرمكن براي رساندن دماي هيدروژن تا مقدار مطلوب مناسب نيست و حتما بايد بخش بدون هيتر پيش گرمكن، عايق شود. شبيه سازي ها نشان مي دهند كه رژيم جرياني در پيش گرم كن هيدروژن از نوع آرام است و لذا مقاومت لايه مرزي در انتقال حرارت سطح اهميت زيادي دارد. البته بايد در نظر داشت كه چون سيال گاز است و دانسيته و ويسكوزيته كمي دارد، لذا لايه مرزي بسيار نازك مي باشد. اثرات احتمالي جابجايي آزاد گرمايي گاز هيدروژن نيز در محاسبات در نظر گرفته شده است؛ زيرا دانسيته گاز با افزايش دما كاهش يافته و در برخي نقاط جريان برگشتي نيز مشاهده مي شود. اين جريان برگشتي و گراديان معكوس سبب اختلاط بيش تر جريان و اتلاف حرارتي بيش تر مي شود و امري نا مطلوب است. لذا در ادامه تمهيداتي جهت از بين بردن آن ارايه شده است. نتايج شبيه سازي ها نشان مي دهند كه عليرغم وجود محيط پرشده، مقدار افت فشار در سيستم بسيار كم و ناچيز است. جهت بررسي انتقال حرارت، انواع عايق با ضخامت هاي مختلف بررسي شدند. مشخص گرديد، استفاده از عايق پشم شيشه به ضخامت 5 سانتيمتر مي تواند دماي هيدروژن خروجي را تا 379 درجه سانتيگراد بالا ببرد كه دماي مطلوبي براي شروع واكنش هاي كاتاليستي است. نتايج نشان داد، در محدوده شدت جريان عملياتي هيدروژن، استفاده از يك هيتر در انتهاي پيش گرم كن كفايت مي كند. كاربرد هيترهاي اضافي موجب اتلاف انرژي مي شود و تاثيري در بالا بردن دماي هيدروژن ندارند.

In this study, the hydrogen preheater of a pilot plant is simulated using CFD technique. Hydrodynamic and thermal analysis of the system is performed by solving governing equations through packed and empty sections. The results show that the design of preheater is not appropriate for raising hydrogen temperature to desired value, so, the heater free section of preheater should be insulated. Simulations show that the flow regime through the system is laminar; therefore the resistance of viscous sub-layer is very important in heat transfer. The thickness of boundary layer and viscous sub-layer are of course too small because of low viscosity and density of hydrogen. Effects of free convection of gas in the system are taken into account due to changes in the gas density and back mixing flow fields. Back mixing and reverse pressure gradient are responsible for more internal mixing and subsequently more heat consumption. They are undesirable phenomena. Some solutions are rendered to remove these phenomena. Furthermore, results reveal that the pressure drop is negligible even through packed section. Different insulations with various thicknesses/properties are investigated to control heat consumption. It is found that using glass wool insulation with 5 cm thickness could result in the output temperature of 379°C which is the optimal hydrogen temperature for catalytic reactions. Finally, it is discovered that the use of only one heater at the end section of preheater is sufficient to reach to the desirable hydrogen temperature. Additional heaters cause energy consumption and they would not be effective.