مهندسی شیمی ایران

مهندسی شیمی ایران

مقیاس‌گذاری هیدرودینامیک و ویژگی‌های اختلاط یک بستر سیال چرخشی شبه‌دو‌بعدی مرتبط با راکتورهای MTO : اعتبارسنجی تجربی و مطالعه CFD

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه علم و صنعت ایران
2 دانشکده مهندسی شیمی نفت و گاز دانشگاه علم و صنعت ایران
10.22034/ijche.2026.564960.1571
چکیده
در این پژوهش، رفتارهیدرودینامیکی یک بستر سیال چرخشی سرد شبه‌دو‌بعدی مرتبط با فرایند MTO درسه مقیاس هندسی مختلف به‌صورت تجربی و عددی بررسی شده است. برای اعتبارسنجی مدل، ابتدا داده‌های تجربی میدان سرعت و کسر حجمی فاز جامد بااستفاده از تصویربرداری پرسرعت و روش PIV–DIA برداشت شد و مدل دوفازی اویلری–اویلری مبتنی بر KTGF در محیط OpenFOAM توسعه یافت. مقایسه نتایج نشان داد که مدل عددی قادراست بیشینه سرعت فاز جامددر ناحیه مرکزی را با اختلاف کمتر از 10 % و روند کاهش سرعت در نزدیکی دیواره‌هارا با دقت قابل قبولی بازتولید کند. پس از اعتبارسنجی، مدل برای سه مقیاس به‌کار گرفته شد و نتایج نشان داد با وجود افزایش ابعاد هندسی تا حدود ۲ برابر، ساختارکلی جریان شامل هسته صعودی مرکزی و نواحی نزولی مجاور دیواره‌ها در هر سه مقیاس حفظ شده و جابه‌جایی مکانی معنا‌داری در این نواحی رخ نمی‌دهد. تحلیل کسر حجمی نیز نشان داد باافزایش مقیاس، تفاوت مقدار کسر حجمی بین مرکز ودیواره تا ۱۵% کاهش یافته و توزیع غلظت جامد در ناحیه مرکزی یکنواخت‌تر می‌شود. به‌منظورارزیابی کمی اختلاط، شاخص CMI درسه مقیاس محاسبه گردید. نتایج نشان داد مقدار CMI درناحیه مرکزی برای سه مقیاس در بازه 88/0 تا 94/0 قرارداشته و پراکندگی نسبی آن‌ها کمتر از ۵/۵% است که بیانگر عدم وابستگی معنی‌داراختلاط به تغییر هندسه در محدوده‌ی بررسی‌شده می‌باشد. این نتایج نشان می‌دهدکه مدل اعتبارسنجی‌شده می‌تواندبرای تحلیل مقیاس‌گذاری و طراحی بسترهای سیال چرخشی فرآیند MTO قابل اتکا باشد و رفتار اختلاط و ساختار جریان در هندسه‌های بزرگ‌تر را بدون انحراف کیفی پیش‌بینی کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Hydrodynamic Scaling and Mixing Characteristics of a Circulating Pseudo-2D Fluidized Bed Relevant to MTO Reactors: Experimental Validation and CFD Study

نویسندگان English

Salman Movahedirad 1
Mojtaba Babaei 2
1 Iran University of Science and Technology (IUST)
2 School of Chemical, Petroleum and gas engineering, Iran University of Science and Technology
چکیده English

The hydrodynamic behavior of a cold-circulating pseudo-2D fluidized bed relevant to the methanol-to-olefins(MTO)process is investigated experimentally and numerically across three geometrically scaled configurations. Experimental measurements of the solid-phase velocity field and volume fraction were obtained using high-speed imaging combined with PIV–DIA techniques. A two-fluid Eulerian–Eulerian CFD model incorporating the Kinetic Theory of Granular Flow(KTGF)was developed in OpenFOAM and validated against the experimental data. The comparison showed that the model accurately captures the core upward flow, reproducing the peak solid velocity with less than 10% deviation, while preserving the near-wall velocity gradients observed experimentally. Following validation, the model was applied to three geometric scales. Results indicate that scaling the geometry by up to a factor of two does not alter the qualitative structure of the hydrodynamics: in all scales, a stable upward core region and downward near-wall recirculation zones persist without meaningful spatial displacement. The solid volume-fraction distributions also retain their characteristic pattern, although the difference between the central dilute region and the denser wall regions decreases by up to 15% in larger scales, indicating enhanced natural mixing. To quantify mixing, the Cluster Mixing Index (CMI) was evaluated for all scales. The CMI in the central region ranged from 0.88to0.94, with a relative variation below5.5%,demonstrating that the degree of solids mixing is effectively scale-independent within the investigated similarity-based geometries. These findings confirm that the validated CFD framework provides a reliable basis for hydrodynamic scale-up and can accurately predict mixing behavior in larger pseudo-2D circulating fluidized beds relevant to industrial MTO applications

کلیدواژه‌ها English

Pseudo-2D Circulating fluidized bed (CFB),
MTO, Eulerian–Eulerian simulation, KTGF, Hydrodynamic scale-up

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 28 فروردین 1405