فصل 11جریان غیر ایده آل(Non-ideal Flow)
مقدمه:
آنچه در طراحی راکتور مقدماتی گفتیم بر اساس فرضیات ساده کننده بود. بطور مثال:
• همه مولکولها زمان یکسانی را در داخل راکتور طی می کنند.
• اثرات نفوذ و پراکندگی مطرح نبودند.
• سیال در هیچ بخشی از راکتور راکد نبود.
• تغییرات سرعت در راستای شعاعی/عرضی نداشتیم.
بر اساس این فرضیات ما دو حالت ایده آل داشتیم:
(Mixed) • راکتور همزده
(Plug) • راکتور پلاگ
– توجه کنید که در مورد این حالات ایده آل مقیاس فرآیند مطرح نبود.
مثالهایی از الگوهای جریان غیرایده آل :
(Bypassing) – کوتاه شدن مسیر
(Stagnant regions) – وجود مناطق راکد
(Channeling) – کانالیزه شدن جریان
(Laminar flow) – الگوی جریان آرام
(Dispersion) – پراکندگی
(Recirculation) – جریان بازگشتی
– حالات غیر ایده آلی که مطرح شد تابع مقیاس فرآیند هستند. بنابراین تحلیل آزمایشگاهی چنین مسائلی نیز دشوار است.
– حالات غیرایده آل تحت فرضیات ساده کننده ای تحلیل می شوند که بحث اصلی این درس هستند.
موضوعات اصلی بحث:
(Residence Time Distribution) • توزیع زمان اقامت
(Dispersion) • پراکندگی
(Degree of Segregation) • درجه جدایی
(Earliness of Mixing) • زمان آمیختگی
توزیع زمان اقامت (Residence Time Distribution-RTD) :
– در بسیاری از سیستمهای سیالاتی، مولکولها زمانهای متفاوتی را در داخل سیستم می گذرانند.
• مدلسازی دقیق نیازمند حل معادلات حرکت سیال Navier-Stokes)) است.
• چون میزان تبدیل واکنش دهنده ها تابع زمان اقامت در داخل راکتور است، آگاهی ازنحوه توزیع زمان اقامت شرط لازم مدلسازی حالات غیر ایده آل است.
به زمان اقامت اصطلاحا زمان خروج Exit Age)) نیز گفته می شود.
– دیدگاه ما در این مبحث تا حدودی آماری است.
روش تحلیل
– در روشهای کنترل مبتنی بر مدل، متداول است که به کمک تحریک ورودی و تحلیل
اطلاعات خروجی حاصل از اندازه گیری های واقعی، ذات سیستم شناسایی می شود.
– سپس پارامترهای یک مدل پارامتریک، متناسب با رفتار سیستم تعیین می شوند.
– به طریق مشابه در این درس با اعمال تغییراتی در غلظت جریان ورودی، تغییرات غلظت در جریان خروجی در طول زمان ثبت می شود.
– بدیهی است که این تغییرات غلظت باید قابل اندازه گیری باشد. مثلاً از طریق:
• طیف سنجی
• هدایت سنجی
pH •
• تابش رادیواکتیو
به موادی که برای چنین اهدافی استفاده می شود ردیاب (Tracer) گفته می شود.
– انواع متداول توابعی که به عنوان ورودی (تغییر در غلظت ردیاب) در نظر گرفته می شوند:
• ورودی پالس
• ورودی پله
• ورودی تناوبی
• ورودی تصادفی
نام دیگر این تابع دلتای دیراک (Dirac Delta Function) است. خاصیت دیگر تابع ضربه واحد:
تعریف: شرط مرزی بسته (Closed boundary condition)
در چنین شرایطی سیال فقط یکبار می تواند از مرزهای سیستم عبور کند.
هیچ نوع پراکندگی، نفوذ، سیرکولاسیون یا گردابه در مرزهای سیستم وجود ندارد.
فرض کنید راکتور یا مخزنی به حجم V متر مکعب موجود است. شدت جریان حجمی ورودی به مخزن v مترمکعب بر ثانیه است.
در زمانt=0 مقدار M گرم یا مول ماده ردیاب به صورت پالس جریان ورودی تزریق می شود.
– از زمان تزریق ردیاب تا زمانی که دیگر هیچ تغییری در غلظت خروجی مشاهده نشود، اطلاعات ثبت می شود.
• به صورت تئوریک تا بینهایت
فرضیات
حالت پایا
نبود انباشت کلی در داخل راکتور است.
ثابت بودن شدت جریان
بدون واکنش
بدون جذب
بدون تغییر دانسیته
یک سیال و یک فاز
شرایط مرزی بسته
(Degree of Segregation) درجه جدایی
یکی از عوامل مؤثر بر روی نوع جریان در راکتور، میزان جدایی ذرات سیال می باشد.
این خاصیت به سطح اختلاط بین مولکول ها اشاره دارد که در این درس در دو
گروه اصلی ریز سیال (Micro fluid) و درشت سیال (Macro fluid) تحلیل می شود.
این دو حالت در شکل زیر مشاهده می شود:
ریز سیال
در این حالت اختلاط در پایین ترین سطح یعنی مولکول ها اتفاق می افتد.
در ریز سیال ها، مولکول ها از هم جدا هستند و هر مولکول به تنهایی می تواند یک زمان اقامت و خواص مخصوص به خود را داشته باشد.
تمامی مباحث مطرح شده بر اساس فرض ریز سیال بودن محیط واکنش بود.
درشت سیال
در درشت سیال ها، کوچکترین جزء المنت های سیال هستند که مقیاس اندازه آن
خیلی بزرگتر از مولکول ها است که به هر یک از المنت ها یک بسته یا یک جزء
سیال گویند.
هر یک از المنت ها دارای خواص زیر هستند:
ذرات هر گروه عمر یکسانی را در راکتور می گذرانند.
غلظت ذرات یک گروه یکسان است.
المنت ها به هم نمی چسبند.
- ۹۵/۰۸/۲۴