شبیه سازی محاسباتی جریان و بررسی عملکرد یک پمپ-همزن تک فازی

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری مهندسی شیمی ،مرکز پژوهش و توسعه فناورانه مهندسی مکانیک، گروه شرکت‌های ایبکو، کرمان، ایران

2 کارشناسی‌ارشد مهندسی مکانیک، مرکز پژوهش و توسعه فناورانه مهندسی مکانیک، گروه شرکت‌های ایبکو، کرمان

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک و مواد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان

چکیده

در تحقیق حاضر، شبیه سازی عددی تأثیر برخی از مشخصه های طراحی مانند حضور بفل و فاصله پروانه از کف مخزن بر عملکرد هیدرودینامیکی پمپ-همزن با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شد. به منظور شبیه سازی جریان تک فازی، از روش قاب چندگانه برای مدل سازی حرکت پروانه و نیز مدل آشفتگی k-ε استفاده شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که در تجهیز بدون بفل، الگوی جریان مماسی غالب بوده که منجر به تضعیف اختلاط می گردد. با تعبیه بفل، الگوی جریان به محوری تغییر کرده و سبب کاهش هد هیدرولیک و افزایش توان مصرفی می شود. جهت بررسی تأثیر فاصله پروانه از کف مخزن بر مشخصه های ماکروسکوپی تجهیز، سه فاصله 5/82، 135 و 200 میلی متر در نظر گرفته شد. با افزایش فاصله، الگوی جریان محوری به شعاعی تغییر کرد که با افزایش توان مصرفی و کاهش هد هیدرولیک همراه بود. در فواصل 135 و 200 میلی متر نسبت به مقدار اولیه 5/82 میلی متر، توان مصرفی به ترتیب 157 و 214 درصد افزایش و هد هیدرولیک 47 و 58 درصد کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] R. Schulz and T. Waluga, "Reactive extraction," Process Intensification by Reactive and Membrane-Assisted Separations. Berlin, Boston: De Gruyter, pp. 363-96, 2022, doi: https://doi.org/10.1515/9783110720464-007.
 
[2] S. Yu et al., "Mass Transfer and Droplet Behaviors in Liquid-Liquid Extraction Process Based on Multi-Scale Perspective: A Review," Separations, vol. 10, pp. 264, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/separations10040264.
 
[3] F. Dinger and U. Platt, "Towards an artificial carbohydrates supply on Earth," Frontiers in Sustainable Food Systems, vol. 4, pp. 90, 2020, doi: https://doi.org/10.3389/fsufs.2020.00090.
 
[4] A. E. Kostanyan et al., "Extraction of Copper from Sulfuric Acid Solutions Based on Pseudo-Liquid Membrane Technology," Membranes, vol. 13, pp. 418, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/membranes13040418.
 
[5] Q. Laine et al., "Experimental study of velocity and turbulence fields in a square mixer-settler tank: Comparison of shake the box PTV and 2D2C PIV," Chemical Engineering Science, vol. 275, pp. 118636, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.118636.
 
[6] L. R. Weatherley, "Introduction," Intensification of Liquid–Liquid Processes. Cambridge: Cambridge University Press, pp. 1-42, 2020, doi: https://doi.org/10.1017/9781108355865.001.
 
[7] M. H. Zawawi et al., "A review: Fundamentals of computational fluid dynamics (CFD)," in AIP conference proceedings, 2018, [Online]. doi: https://doi.org/10.1063/1.5066893.
 
[8] K. Singh et al., "CFD modeling of pilot-scale pump-mixer: Single-phase head and power characteristics," Chemical Engineering Science, vol. 62, pp. 1308-1322, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.10.028.
 
[9] K. Singh et al., "CFD modeling of pump‐mix action in continuous flow stirred tank," AIChE journal, vol. 54, pp. 42-55, 2008, doi: https://doi.org/10.1002/aic.11349.
 
[10]         C. Srilatha et al., "Head–flow characteristics of pump-mix mixers," Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, vol. 47, pp. 1678-1692, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.cep.2007.09.009.
 
[11]         D. Wirz et al., "Fluid Dynamics in a Continuous Pump-Mixer," Applied Sciences, vol. 12, pp. 8195, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/app12168195.
 
[12]         Y. Zou et al., "CFD simulation and PIV measurement of liquid–liquid two-phase flow in pump-mix mixer," Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, vol. 60, pp. 15-25, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.jtice.2015.10.007.
 
[13]         Z. Hao et al., "CFD-PBE Simulation of Flow Dynamics and Mass Transfer in Two-Stage Countercurrent Mixer-Settler," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 62, pp. 10237-10251 2023, doi: https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00440.
 
[14]         H. Zhou et al., "CFD–PBM simulation of liquid–liquid dispersions in a pump-mixer," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol. 60, pp. 1926-1938, 2021, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c05745.
 
[15]         Y. Huang et al., "CFD simulation of single‐phase suction head and power consumption in a delta impeller pump–mixer," Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering, vol. 11, pp. 989-1000, 2016, https://doi.org/10.1002/apj.2033.
 
[16]         D. Gu et al., "PIV Measurement and CFD Simulation of Liquid-Liquid Mixing in Mixer Settler with Rigid-Flexible Impeller," International Journal of Chemical Reactor Engineering, vol. 17, p. 20190065, 2019, https://doi.org/10.1515/ijcre-2019-0065.
 
 
[17]         K. Singh et al., "CFD modeling of pilot-scale pump-mixer: Single-phase head and power characteristics," Chemical Engineering Science, vol. 62, pp. 1308-1322, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.10.028.
 
[18]         F. Maluta, A. Paglianti, and G. Montante, "RANS-based predictions of dense solid–liquid suspensions in turbulent stirred tanks," Chemical Engineering Research and Design, vol. 147, pp. 470-482, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.05.015.
 
[19]         H. Patil et al., "CFD simulation model for mixing tank using multiple reference frame (MRF) impeller rotation," ISH Journal of Hydraulic Engineering, vol. 27, pp. 200-209, 2021, doi: https://doi.org/10.1080/09715010.2018.1535921.
 
[20]         J. Hu et al., "Hydrodynamic behavior of a pump as turbine under transient flow conditions," Processes, vol. 10, pp. 408, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/pr10020408.
 
[21]         S. Hoseini et al., "Impeller shape-optimization of stirred-tank reactor: CFD and fluid structure interaction analyses," Chemical Engineering Journal, vol. 413, pp. 127497, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.127497.
 
[22]         T. Jirout and D. Jiroutová, "Application of Theoretical and Experimental Findings for Optimization of Mixing Processes and Equipment," Processes, vol. 8, pp. 955, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/pr8080955.
 
[23]         B. Oblak et al., "Digital twinning process for stirred tank reactors/Separation unit operations through tandem experimental/Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulations," Processes, vol. 8, pp. 1511, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/pr8111511.
 
[24]         Y. Zou et al., "A study on suction effect of impellers in a square pump-mix mixer," Journal of Chemical Engineering of Japan, vol. 48, pp. 387-394, 2015, https://doi.org/10.1252/jcej.14we029.