شبیه سازی کامپیوتری برج استخراج اسانس 

تلگرام آرایشی بهداشتی تبلیغ کتاب شوینده ها

شبیه سازی کامپیوتری برج استخراج اسانس

نویسنده:

ehsan hosnani
گردآوری، ترجمه و نگارش: احسان حُسنانی
کارشناس ارشد مهندسی شیمی ، دانش آموخته دانشگاه صنعتی اصفهان


چکیده: شبیه سازی کامپیوتری یک از کارهایی است که مهندسان شیمی انجام می دهند تا اتفاقاتی را که در فرایندهای شیمیایی رخ می دهد با استفاده از حل همزمان معادلات دیفرانسیل با روش های عددی پیش بینی کنند و اثر تغییرات را محصسبه کنند.
هدف از طراحی دستگاه اسانس گیری، کسب بهترین شرایط فیزیکی برای تولید محصولی با کیفیت مناسب و در عین حال قیمت متعادل است مهمترین متغیرهایی که باید به نحوی مورد توجه قرار گیرند عبارتند از : اندازه ظرف گیاه، فاصله بین محل برداشت گیاه و محل اسانس گیری، فشار بخار ، سرعت تزریق بخار و زمان اسانس گیری. یک راه برای به دست آوردن شرایط بهینه برای هر گیاه استفاده از آزمایش های کنترل شده ، تکرار و تجربه است. باید در هر بار آزمایش یک پارامتر را متغیر و بقیه را ثابت بگیریم. که این روش مسلماً پر هزینه و وقت گیر و پردردسر است. روش دیگر استفاده از شبیه سازی کامپیوتری است که در این طرح از آن استفاده شده است.

شبیه سازی تانک مولد بخار

امروزه در صنایع از دو نوع بویلر جهت تولید بخار استفاده می گردد.
1- بویلرهای لوله آبی
در این نوع بویلر ها آب از داخل لوله های چند بار گذر کرده از داخل یک دیگ که آتش مشعل از داخل پوسته آن را گرم می کند عبور می کند این نوع بویلر جهت ایجاد بخارهای با فشار بالا استفاده می گردد زیرا جهت ایجاد چنین بخاری با بویلر های لوله آتشی که شرح آن داده خواهد شد احتمال انفجار وجود دارد که چند نمونه از این نوع انفجار ها در گذشته اتفاق افتاده است.
2- بویلر های لوله آتشی
در این نوع بویلرها بر خلاف بویلرهای لوله آبی، آب از داخل پوسته و گازهای دودکش از داخل لوله ها عبور می کند با این عمل آب تبخیرشده از محفظه خارج می گردد.این بویلر ها جهت تولید بخار با فشار های پایین تر ( حداکثر atm 18)استفاده می گردد. در مرحله دوم این طرح از این نوع بویلر (با ظرفیت حداکثر 500 تن در ساعت موجود در آزمایشگاه عملیات واحد) استفاده گردیده است. دیگ های ساده ای که با حرارت مستقیم شعله گرم می شود نوعی بویلر، موسوم به بویلر پوسته ای هستند. در مرحله اول انجام طرح، جهت تولید بخار آب ازیک تانک با حجم 8 لیتر جهت تولید بخار اشباع به صورت ناپیوسته (batch) استفاده گردید. این تانک به طور مستقیم توسط شعله گرم شده و تولید بخار می نماید.
در واقع در این مرحله از طرح از یک تانک پوسته ای استفاده شده است.

7-1-1 محاسبه دبی بخار خروجی از تانک

معادلات موازنه جرم و انرژی برای این تانک به صورت زیر است:
موازنه جرم
energy balance
assumptions
جهت سهولت محاسبات ترم سمت راست معادله را برابرa در نظر می گیریم.در سمت چپ رابطه 7-3 به جایm2 و u2 می توان مقادیر زیر را جایگزین نمود:
7-4
با استفاده از رابطه 7-4 می توان در هر لحظه کیفیت بخار موجود در تانک را محاسبه نمود.
x
با استفاده از الگوریتم ارائه شده می توان با داشتن ابعاد تانک و نرخ گرمای ورودی به تانک کل جرم خارج شده از تانک را تا زمان t به دست آورد.
براساس این الگوریتم، یک برنامه کامپیوتری نوشته شده که محاسبات فوق را داخل یک حلقه در زمان های مختلف انجام می دهد و در هرلحظه مقدار me را محاسبه نموده منحنیme بر حسب زمان را رسم کرده و شیب آن نمودار را محاسبه می نماید، شیب نمودار مذکور برابر دبی جرمی بخار خارج شده از تانک است.
لازم به ذکر است جدول بخار در محدوده مورد نظر در برنامه کامپیوتری وارد شده و این برنامه مستقیماً می تواند داده های ترمودینامیکی مورد نظر خود را به صورت میانیابی شده به دست آورد.
تا این لحظه توانستیم با وارد نمودن ابعاد تانک و نرخ گرمای ورودی به تانک دبی جرمی بخار خارج شده از آن را به دست آوریم. اندازه گیری ابعاد تانک که ساده است، مقداری آب داخل آن می ریزیم تا حدی که لبریز شود سپس از روی اختلاف وزن تانک قبل و بعد از ریختن آب وزنآب و در نتیجه حجم تانک را به دست می آوریم. اما چگونه می توان نرخ گرمای ورودی به تانک را محاسبه نمود؟این سؤالی است که در بند بعدی پاسخ داده شده است.

اندازه گیری نرخ گرمای ورودی به تانک مولد بخار

همانطور که می دانید دمای آب قبل از آنکه به جوش آید با عمل گرمایش مرتباً افزایش می یابد. با اندازه گیری دمای آب موجود در تانک در هر لحظه و رسم نمودار آن برحسب زمان ، می توان از روی شیب آن نمودار که تقریباً خطی نیز هست نرخ گرمای ورودی به تانک را محاسبه نمود.
جدول و نمودار دمای تانک بر حسب زمان به صورت زیر می باشد.
heat rate

T
زیرا آب موجود در تانک 5 کیلو گرم بوده است.
نکته ای که باید در نظرداشت آن است که از آنجا که تانک به کار گرفته شده عایق بندی نشده مقدار زیادی حرارت از طریق مکانیسم هدایتی به هوای اطراف از طریق جداره تانک تلف خواهد شد که مقدار آن با استفاده از داده های جمع آوری شده به صورت مشابهی قابل اندازه گیری است.
محاسبات
در اینجا با استفاده از رگرسیون معادله خط به صورت زیررا می توان جهت سرمایش تانک در نظر گرفت:
T=88.8-1.2t
شیب این خط ۱/۲- است.
به روش مشابهی همانطور که در گرمایش شرح داده شد نرخ سرمایش تانک برابر است با:
محاسبات
نتیجه:
نرخ گرمای ورودی به تانک برابر است با :
محاسبات
البته این مقدار برای وقتی است که شیرگاز سوخت دستگاه تولید کننده حرارت تا نصفه باز است و اگر کامل باز شود و شیر را خطی فرض نمائیم مقدار گرمایش به میزان KJ /Kg 100 تخمین زده می شود.
در الگوریتم مذکور مقدار Q گرمائی است که در t ثانیه به ظرف وارد می گردد. لذا مقدار Q را از رابطه زیر محاسبه و در الگوریتم به کار گرفته می شود
محاسبات
که در آن ‏t زمان بر حسب دقیقه و Q گرما بر حسب KJ است. برنامه کامپیوتری دبی بخار خروجی از تانک را در شرایط آزمایشگاهی داده شده K g / min 0408/0اندازه گیری کرده است. که همین میزان بخار نیزباید پس از عبور از روی بسترکندانس گردد.
محاسبات

محاسبه سطح انتقال حرارت کندانسور

کندانسور استفاده شده در مرحله آزمایشی طرح از نوع کندانسورهای مارپیچی شیشه ای متداول در آزمایشگاه ها بوده است. ولی متأسفانه این کندانسور تمام بخار تولید شده در تانک مولد بخار را کندانس نمی کرد در نتیجه در اثر عدم آب بندی مقدار زیادی از بخار به بیرون نشت کرده، تلف می گردید و در صورت آب بندی شرایط پرفشار ایجاد شده راندمان جداسازی را در عمل تقطیر پائین می آورد.
سطح انتقال حرارت واقعی این مبدل حرارتی عبارت است از:
محاسبات
مقدار بخاری که این مبدل کندانس می کند نیم کیلوگرم به ازای هر ساعت اندازه گیری شده است.
محاسبات
یعنی برای این کندانسور در این فرایند مقدار ضریب کلی انتقال حرارت برابر این مقدار محاسبه شده است. با این مقدار U محاسبه شده سطح انتقال حرارت مورد نیاز جهت کندانس کردن کل بخار به صورت زیر محاسبه خواهد گردید.
محاسبات
این محاسبات نشان می دهد اگر از این نوع کندانسور استفاده شود مقدار سطح انتقال حرارت مورد نیاز تقریباً 4 برابر سطح واقعی آن است یعنی از نظر تئوری باید 4 کندانسور شیشه ای را به صورت سری به هم وصل کنیم. لذا با توجه به پارامتر های افت فشار و عدم وجود compactness و از استفاده از این نوع کندانسور صرفنظر می گردد و به جای آن از یک کویل مسی ( لوله مسی مارپیچ شده) استفاده می گردد.
به عنوان یک محاسبه سرانگشتی با در نظر گرفتن فرایند مشابه ولی این بار با در نظر گرفتن کویل به صورت مسی به جای شیشه ای خواهیم داشت:
محاسبات
لذا 5 متر لوله مسی با قطر خارجی mm6 برای این منظور لازم است کویل شود.

شبیه سازی برج جداسازی

در این ظرف انتقال جرم بین گیاه ( فاز ساکن) و فاز متحرک (بخار) صورت می گیرد. مکانیسم انتقال جرم می تواند نفوذی(diffusion)، همرفتی(convective) و یا ترکیبی از این دو باشد. انتقال جرم نفوذی در سرعت های کم بخار و انتقال جرم همرفتی در سرعتهای بالای بخار اتفاق می افتد.شار انتقال جرم در هر دو حالت از روابط زیر به دست می آید
محاسبات
پارامتر های مهم در رابطه 7-7 و 7-8 عبارتند از:
:CAغلظت اسانس داخل فاز متحرک (بخار)
U : سرعت بخار
DAB : ضریب نفوذ اسانس (جزء A) داخل بخار (جزءB)
جهت شبیه سازی عملیات انتقال جرم المان دیفرانسلی زیر را برای ستون گیاه در نظر می گیریم.
محاسبات
واضح است که در اینجا مقدار تجمع منفی است و باید آن را با در نظر گرفتن علامت در معادله وارد کرد.
محاسبات
بدیهی است شرایط عملیاتی طوری تنظیم می شود که مکانیسم انتقال جرم همرفتی باشد زیرا در این صورت جریان به حالت plug نزدیکتر، ترم پراکندگی کوچکتر و راندمان انتقال جرم بالاتر است .در این صورت رابطه NA = U.CA را جهت محاسبات به کار می بریم. با حذف پارامترسطح مقطع از طرفین و جایگذاری مقدار NA خواهیم داشت:
محاسبات
با جایگذاری مقادیر NA و U از روابط زیر خواهیم داشت:
محاسبات


مطلب قبلی: مهندسی چیست؟

مطلب بعدی: پایان نامه کارشناسی

معادل انگلیسی اصطلاحات تخصصی این مطلب

1- بخار آب = Steam
facial steam = بخور صورت


تلفظ facial steams ↓


تلفظ inhalation from diffusers, inhalers, steam treatments ↓


تلفظ steam distillation ↓
2- پیوسته = Continuously

تلفظ continuously ↓
3- انتقال حرارت = Heat Transfer
4- انتقال جرم = Mass Transfer
5- فاز ساکن = Stationary Phase
6- فاز متحرک = Mobile Phase
7- شبیه سازی کامپیوتری = Computer Simulation
8- شرایط عملیاتی = Operative Condition
9- جار = Jar

تلفظ blender jar ↓

مطلب فوق را در شبکه های اجتماعی زیر با دوستانتان به اشتراک بگذارید



اگر مطالعه این مطلب برایتان مفید بود، روی دکمه زیر کلیک کنید !