شبیه‌سازی پیرولیز پلیمرها در راکتور بستر سیال جامد-گاز با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

گسترش روزافزون محصولات پلیمری، نگرانی های زیست محیطی جدی را به دلیل تولید پسماندهای آن در سطح جهانی به‌دنبال داشته است .یکی از روش‌های مدیریت ضایعات پلیمری، استفاده از فرآیند پیرولیز است که از نظر اقتصادی مقرون ‌به‌‌صرفه بوده و می‌تواند بخشی از نیاز سوخت صنایع را تامین کند. در این راستا شبیه‌سازی این فرآیند به‌منظور بهینه نمودن بازدهی محصولات تولیدی از اهمیت ویژه ای برخوردار است ولی به واسطه پیچیدگی آن، شبیه‌سازی عددی بسترهای مخروطی شکل توسط جریان چند فازی گاز-جامد، کم‌تر مورد توجه بوده است. بنابراین در این مقاله، فرآیند پیرولیز ضایعات پلیمری در یک راکتور بستر سیال جامد-گاز مخروطی با روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیه‌سازی شد. از رویکرد اویلری همراه با نظریه‌ی جنبشی جریان‌های دانه‌ای برای شبیه‌سازی این سیستم چند فازی و تعاملات بین فازها استفاده شد. تاثیر عوامل مختلف از جمله دما، سرعت گاز و اندازه ذرات مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که دما مهم‌ترین عامل در فرآیند پیرولیز می باشد به طوریکه با افزایش دما و در 923 کلوین، بیشترین میزان جریان گازی و کم‌ترین میزان قطران تولید می گردد که صرفه اقتصادی مطلوبی دارد. از طرفی سرعت جریان ورودی به‌دلیل تاثیرگذاری در پارامتر دما، تاثیر مهمی بر فرآیند تولید محصولات مطلوب دارد. به طوریکه در سرعت پایین ، ذرات به واسطه تماس زیاد با دیواره گرمای بیشتری جذب می کنند و دمای بستر زودتر افزایش می یابد. در مقابل با افزایش سرعت گاز ورودی، اختلاط بیشتر و حجم بیشتری از گاز بین ذرات جامد قرار می گیرد که به واسطه کاهش تماس ذرات و ضریب هدایت گرمایی ، افت انتقال حرارت صورت می گیرد. بنابراین سرعت ورودی به بستر باید در کم‌ترین مقدار بهینه تنظیم گردد. همچنین نتایج نشان داد افزایش اندازه قطر ذرات از 1 تا 3 میلی متر، دما با شیب بیشتری افزایش و بستر سریع‌تر گرم می شود.

simulation of pyrolysis of polymers in a solid-gas fluidized reactor using computational fluid dynamics

the ever-increasing expansion of polymer products has led to serious environmental concerns due to the production of waste at the global level. one method of polymer waste management is utilizing the pyrolysis process, which is economically viable and can partially meet the fuel requirements of industries. in this regard, simulating this process is of greater importance in optimizing the efficiency of the products; however, due to its complexity, the numerical simulation of conical beds by multiphase gas-solid flow has received less attention. therefore, this paper simulated the pyrolysis process of polymer waste in a conical solid-gas fluidized bed reactor using the computational fluid dynamics method. the eulerian approach and the kinetic theory of granular flows were employed to simulate this multiphase system and the interactions between phases. the effect of various factors, including temperature, gas velocity, and particle size, was investigated. the results showed that temperature is the most important factor in the pyrolysis process; with an increase in temperature to 923 k, the highest amount of gas flow and the lowest amount of tar are produced, which yields favorable economic benefits. on the other hand, flow rate significantly affects the production process of the desired products due to its influence on temperature. at low speeds, particles absorb more heat due to increased contact with the wall, resulting in a faster increase in the temperature of the bed. conversely, with a higher gas flow rate, more mixing occurs, and a larger volume of gas occupies the space between the solid particles, which leads to a decrease in heat transfer due to reduced particle contact and lower thermal conductivity. therefore, the inlet flow rate should be set at the lowest optimal value. additionally, the results showed that increasing the diameter of the particles from 1 to 3 mm causes the temperature to rise more steeply, leading to a faster heating of the bed.