جريانهاي برخورد كننده

به نام خدا
۱-۱- جريانهاي برخورد كننده
بسياري از عمليات مهندسي كه در بين دو فاز امتزاج ناپذير انجام مي شود بوسيلة انتقال جرم يا انتقال حرارت كنترل مي شوند، بنابراين همواره كوشش مي شود كه تا حد امكان چنين مقاومتهايي را كاهش داد.

اصولاً فرايندهاي انتقال حرارت يا جرم در سيستم، گاز-جامد، گاز-مايع، مايع-مايع و جامد-مايع عموماً ممكن است با سه مقاومت سري در نظر گرفته‌شوند، كه با فرض يك سيستم قطرة مايع-گاز به عنوان حالت مبنا، ممكن است برحسب خواص سيستم مقاومت هاي زير مؤثر باشند، مقاومت خارجي مقاومت سطح ، مقاومت داخلي .
مقاومت داخلي را ممكن است با كاهش اندازة ذرة فار پيوسته كاهش داد، اگر اين كار امكان پذير نباشد بايد زمان اقامت ذره را در داخل سيستم افزايش داد. كاهش مقاومت خارجي ممكن است از طريق روشهاي زير ميسر گردد.

a- افزايش سرعت نسبي بين ذرات و فاز پيوسته كه با افزايش اصطكاك بين فازها نيز مرتبط است
b- كاهش ابعاد ذرات كه باعث كاهش ضخامت زير لاية آرام كه كنار سطح تشكيل مي شود، مي گردد. كاهش ابعاد ذرات باعث افزايش ضرايب انتقال مي‌گردند.
c- توزيع يكنواخت فاز پراكنده درون فاز پيوسته.

d- اعمال تأثيرات ديگر روي ذرات، مثل نيروهاي اينرسي و سانتريفوژي
مقاومت سطح با حذف ناخالصي ها ممكن است به دست‌ آيد.
در دهة ۶۰ ميلادي روش بسيار ويژه اي بعنوان جريانهاي برخورد كننده (IS) توسط [۱]Elperin مطرح شد كه روش بسيار مؤثري براي فرايندهاي انتقال جرم و حرارت محسوب مي گردد. انتظار مي رود كه اين سيستم ها بصورت گسترده اي مورد استفاده قرار بگيرند.

اين سيستم مي تواند براي سيستم هاي دو فازي مايع-گاز-جامد بكار برود. در اين روش دو جريان در خلاف جهت هم روي يك محور به يكديگر برخورد مي‌كنند. براي يك جريان نمونة گاز-جامد همانطور كه در شكل ۱-۱ ديده مي‌شود دو جريان در وسط (ناحية برخورد) به شدت به هم برخورد مي كنند، بدليل برخورد بين جريانهاي مخالف، يك ناحية نسبتاً باريكي با تلاطم شديد ايجاد مي شود، كه شرايط بسيار مطلوبي را براي افزايش سرعت انتقال جرم و حرارت بوجود مي‌آورد. علاوه بر اين در اين ناحيه غلظت (تراكم) ذرات بيشترين مقدار است [۲]، و بصورت يكنواخت تا نقطة تزريق كاهش مي يابد، اين تكنيك در سيستم هاي گاز-مايع، مايع-مايع و جامد-مايع نيز بكار مي رود. با توجه به شكل ۱-۱ جريان مخالف باعث ورود ذرات به داخل فاز پيوستة مقابل به علت وجود نيروي اينرسي مي‌شود. بعلت نيروي درگ سرعت ذره‌ها در فاز مخالف كاهش پيدا مي كند و در نهايت همراه فاز پيوسته بر مي‌گردد و دوباره به ناحيه برخورد مي‌رسد و اين عمل تكرار مي‌گردد.

بطور كلي سه حالت ممكن است براي ذرات در سيستم پيش بيايد.
اول ممكن است برخي ذرات بصورت رودررو با هم برخورد كنند و در نتيجه سرعت آنها صفر گردد و از سيستم بخاطر نيروي وزن خارج گردند. دوم اينكه گاهي اين برخورد با زاويه صورت بگيرد كه باعث تغيير مسير ذره شده و ذره را از سيستم خارج مي كند. در حالت سوم ذره بدون برخورد وارد جريان فاز پيوسته مقابل مي شود. با توجه به شكل ۱-۱ ذره در ابتدا هم سرعت فاز گاز مي‌باشد و سرعت آن ug است وقتي كه ذره وارد فاز مقابل مي شود سرعت نسبي فاز پيوسته و ذره برابر ۲ug مي باشد.
۱-۱ U=ug-(-ug)=2ug

بنابراين سرعت نسبي ذره در ابتداي ورود به فاز پيوستة مقابل بيشترين مقدار و برابر ۲ug است، با حركت ذره به عمق فاز پيوستة مقابل به علت نيروي درگ رفته رفته از سرعت ذره كاسته مي گردد و سرعت نسبي آن كم مي شود.
۱-۲ U=Up-(-Ug)=Up+Ug

تا اينكه سرعت ذره صفر مي گردد و سپس همراه فاز پيوسته بر مي گردد و سرعت آن افزايش مي يابد، اگرچه در سيستم به علت اتلاف هاي انرژي سرعت ذره رفته رفته كم مي شود، و از سيستم خارج مي شود ولي آمد و رفت هاي متوالي ذره در بين دو فاز باعث افزايش زمان اقامت در سيستم مي شود تا اينكه ذره به علت اتلاف انرژي و يا حالت اول و دوم از سيستم خارج شود. بنابراين براي تعداد ذرات توزيعي از زمان اقامت در سيستم وجود خواهد داشت كه بصورت متوسط باعث بهبود عمليات انتقال در سيستم دو فازي مي‌گردد.
۱-۲- مزاياي جريانهاي برخورد كننده

بطور كلي جريانهاي برخورد كننده بعلت شرايط ويژه، سرعت نسبي بالاي فازها، برخورد و نيروهاي برخوردي، افزايش زمان اقامت و تلاطم شديد در ناحيه برخورد باعث بهبود و افزايش پديده هاي انتقال در سيستم مي شوند.

۱- افزايش سرعت نسبي U بين فازها كه وارد جريان پيوسته فاز متقابل مي‌شوند. كه نسبت به راكتورهاي ديگر بسيار بيشتر مي باشد.
۲- بعلت حركت نوساني در فاز پيوسته زمان اقامت ذرات در سيستم افزايش مي يابد.
۳- سطح مؤثر تماس براي انتقال جرم و حرارت برابر سطح واقعي ذرات است، اين حالت در دستگاههاي ديگر وجود ندارد زيرا سطح تماس مؤثر كمتر از سطح واقعي ذرات است.
۴- جريان آشفته ايجاد شده در ناحية برخورد باعث افزايش ضرايب انتقال حرارت و جرم مي شود.

۵- بعلت برخورد ذرات و نيروهاي برشي در سيستم هاي گاز جامد باعث شكست ذرات مي شود كه باعث كاهش اندازه ذرات و افزايش سطح آنها مي‌گردد.
در سيستم هاي مايع –گاز يا مايع مايع مزيت هاي زير ديده مي شود.
۱- تبديل جريان مايع به قطرات ريز كه باعث افزايش سطح تماس مي شود.
۲- حركت نوساني قطرات باعث افزايش زمان اقامت مي شود.

۳- در منطقه برخورد جريان آشفته ايجاد مي شود و باعث اختلاط كامل و كاهش گراديان دما و غلظت در فاز پيوسته مي شود كه باعث افزايش انتقال بين دو فاز مي شود. و نيز افزايش ضرايب انتقال را در پي دارد.
افزايش زمان اقامت ذرات در راكتور و حركت نوساني به وسيله آزمايشات مختلف به اثبات مي رسد.
تقسيم بندي و اشكال راكتورهاي با جريانهاي برخوردي

راكتورهاي با جريان برخورد كننده با استفاده از اثرات جريانهاي برخورد كننده برروي پديده هاي انتقال براي سيستم هاي چند فازي مورد استفاده قرار مي گيرند. تكنيك IS (Impinging Streams) به تكنيك استفاده از جريانهاي برخورد كننده در فرآيندهاي گاز-گاز، گاز-جامد، گاز-مايع، مايع-مايع و
مايع-جامد گفته مي شود. راكتورهاي برخوردي ممكن است به دلايل زير فقط در ساختارشان متفاوت باشند.

۱- خواص مواد تحت فرآيند، گرانول، خمير، محلول ها و …
۲- پارامترهاي انجام پروسس، دما، فشار و …
۳- ملزوماتي كه براي خواص محصول لازم است
۴- مواد ساخت راكتور

راكتورهاي با جريانهاي برخوردكننده (ISR) بطور كلي به دو دسته تك مرحله اي و چند مرحله اي تقسيم مي شوند. در راكتورهاي تك مرحله اي جريان ها فقط يك بار با يكديگر برخورد مي كنند. در حالي كه راكتورهاي چند مرحله اي از تعدادي راكتور تك مرحله اي ساخته شده اند كه جريانهاي خروجي از هر راكتور وارد راكتور ديگر مي شود. يك شماي كلي از هر يك از دو دسته از راكتورهاي با جريانهاي برخوردي در شكل ۲-۱ و ۲-۲ ديده مي شود.

انواع مختلف راكتورهاي تك مرحله اي با جريانهاي برخوردي در شكل ۲-۳ مشاهده مي شود كه براي سيستم هاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد.
بطور متداول راكتورهاي با جريانهاي برخورد كننده (ISR) از اجزاء زير تشكيل مي شوند. تانك ذخيره خوراك؛ تغذيه كننده؛ دو لولة شتاب دهنده كه به بدنه راكتور متصل است؛ بدنة راكتور؛ خروج محصول و خروج فاز پيوسته؛ جداكننده؛ تانك ذخيره محصول

راكتورهاي با جريانهاي برخوردي (ISR) را بر مبناي تعداد جريانهاي برخورد كننده، زاويه برخورد، شكل مجراي حاوي جريانها، مشخصات جريالن سيالها (براي مثال گردابه اي و غير گردابه اي) و غيره، مي توان به دسته اي بزرگ مختلفي تقسيم بندي كرد. تقسيم بندي بخشي از انواع اين نوع راكتورها كه مورد بحث ثرار مي گرد بوسيله Mujamdar , kudva ارايه گرديده است.

موارد مختلفي مي تواند ملاك تقسيم بندي باشد
– جريان در فاز پيوسته (jet)
چرخش گردابه اي، موازي
– جريان سيال درون راكتور

مختلف الجهت و هم محور ، مختلف الجهت و غير هم محور ، منحني وار روي يك محور ، منحني وار غير هم محور
– حالت و تعداد واحد برخورد
حالت ثابت، حالت متحرك، چند منطقه اي (شكل ۲-۴)
شكل ۲-۱ راكتور برخوردي تك مرحله اي
شكل ۲-۲ راكتور برخوردي چند مرحله اي

در راكتورهاي چند مرحله اي با جريانهاي برخورد كننده علاوه بر اينكه نوع هر يك از راكتورهاي موجود مي تواند مبناي تقسيم بندي آنها قرار بگيرد نحوة آرايش جريانها نيز اساس تقسيم بندي قرار مي گيرد، كه دو گونة جريان همسو و ناهمسو در شكل ۲-۲ مشاهده مي گردد.
مسطح با جريان شعاعي، مسطح با جريان داره اي
– نحوة كار راكتور
خوراك پيوسته دو طرفه، خوراك پيوسته يك طرفه، نيمه پيوسته
شكل و سيستم خاص هر يك از انواع راكتورهاي با جريانهاي برخوردي آنها را براي كاربرد متفاوتي مناسب مي‌كند.

۲-۱ انواع راكتورها با جريانهاي برخوردي
۲-۱-۱ راكتورهاي سيكلوني با دو جريان برخورد كننده
TIS Cyclone Reactors

اين راكتورها يكي از رايج ترين انواع راكتورهاي برخورد كننده مي باشند و در سيستمهاي جامد – گاز و جامد – مايع كاربرد دارند. يك نمونه از اين راكتورها در واكنش گاز-جامد در شكل ۲-۵ نشان داده شده است. راكتور از محفظه‌اي حلقه‌اي (منطقه شماره يك) كه درون يك استوانه قرار دارد، تشكيل شده است (همانند يك سيكلون). گاز از طريق دو لوله موازي ورودي به محفظه حلقه‌اي وارد مي‌شود. ذرات جامد از طريق خوراك رسان شماره ۲، به درون جريان اصلي تزريق مي‌شوند. هر دو جريان داخل لوله هاي اصلي داراي يك شدت مي‌باشند. اين دو جريان پس از ورود به محفظه حلقه‌اي، به دليل نيروي جانب مركز و اثر ماگنوس به طرف مركز راكتور منحرف مي شوند و در نقطه ۳ (منطقه برخوردي) با يكديگر برخورد مي‌كنند. سيال پس از برخورد و ذرات پس از طي حركت نوساني خود به پايين مي‌ريزند. ذرات از طريق خروجي انتهاي راكتور و سيال، اگر گاز باشد از طريق استوانه وسط (مانند شكل) و اگر مايع باشد، از طريق مجراي خروجي ذرات از راكتور خارج مي شود.
شكل ۲-۵ راكتور سيكلوني با دو جريان برخورد كننده

از اين راكتور در موارد زير استفاده شده است. خشك كردن ذرات جامد []، اختلاط گاز-گاز و جامد-جامد[]، انحلال ذرات[] و احتراق گازها.[]
۱-۱-۲ راكتورهاي سيلكوني با دو جريان برخورد كننده همراه با خوراك اضافي سيال TIS Cyclone Reactors with additional Fluid Feed

اين راكتورها مشابه با راكتورهاي سيلكوني با دو جريان برخورد كننده و داراي دو منطقه برخورد مي باشند (شكل ۲-۶). سيال و ذرات از طريق لوله‌هاي موازي واقع در بالاي راكتور وارد شده و در منطقه برخوردي با يكديگر برخورد كرده و به پايين مي ريزند. در دو لوله پاييني، تنها جريان سيال وجود دارد كه با برخورد با ذرات، دومين منطقه برخوردي را به وجود مي‌آورد. با استفاده از اين راكتور بعلت وجود دو منطقه‌ي برخوردي، زمان اقامت متوسط ذرات افزايش و عمليات اختلاط بهبود مي يابد (نسبت به راكتورهاي سيلكوني با دو جريان برخورد كننده و بدون خوراك اضافي سيال). از اين راكتور نيز همانند راكتورهاي قبلي در خشك كردن جامدات[] انحلال و ذرات جامد در اين راكتور بررسي شده است.
شكل ۲-۶ راكتور سيلكوني با دو جريان برخورد كننده همراه با خوراك اضافي سيال

۲-۱-۳ راكتورهاي سيلكوني با چهار جريان برخورد كننده
FIS Cyclone Reactors
اين نوع راكتور همانطور كه در شكل ۲-۷ مشاهده مي شود از چهار جريان كه بصورت موازي و مماسي وارد آن مي شوند، تشكيل مي شود. در اين راكتور چهار منطقه ي برخوردي (شماره هاي ۳ و مناطق بين دو شماره ۳ در شكل (۲-۷) بوجود مي آيد كه مي تواند بطور همزمان چهار نوع جامد مختلف را با يكديگر مخلوط كرد. از طرفي اين راكتور در خشك كردن جامدات نيز كاربرد دارد.

شكل ۲-۷ راكتور سيكلوني با چهار جريان برخورد كننده
۲-۱-۴ راكتورهاي با دو جريان برخورد كننده هم محور
اين دسته نيز در واكنشهاي سيال – جامد بكار مي روند. در اين راكتورها دو جريان بصورت هم محور و ناهمسو از طريق لوله هاي شماره ۲ (شكل ۲-۸) وارد مي شوند. در ناحيه شماره ۳ (منطقه برخوردي)، برخورد انجام شده و گاز از بالا و جامد و مايع از پايين خارج مي شوند. در اين نوع راكتورها اختلاط، انحلال و خشك كردن جامدات انجام شده است. []
شكل ۲-۸- دو نوع مختلف راكتور سيكلوني با دو جريان برخورد كننده هم محور

۲-۱-۵ راكتورهاي پاششي با دو جريان برخورد كننده
TIS Spray Reactors
اين راكتورها نيز از نوع راكتورهاي هم محور مي باشند كه دو جريان بصورت همراستا و مختلف الجهت به سوي يكديگر گسيل مي شوند (شكل ۲-۹)، لذا ديگر برخورد جريانها با ديواره را مشاهده نمي كنيم. در اين راكتورها با استفاده از نازلها، جريان مايع و گاز به درون راكتور پخش مي شود و در منطقه برخوردي اختلاط بين دو جريان و همچنين قطعه قطعه شدن ذرات مايع مشاهده مي شود. واكنشهاي گاز-مايع و مايع-مايع در اين راكتورها انجام مي‌شود.
شكل ۲-۹ راكتور پاششي با دو جريان برخورد كننده
نازلها عامل اصلي در قطعه قطعه شدن قطرات و پخش مناسب مايع مي باشند، لذا انتخاب نوع نازل در اين راكتورها بسيار مهم مي باشد.

۲-۱-۵-۱- نازلها
عمل نازل عبارت است از قطعه قطعه كردن و شتاب دادن توده سيال، كه ذره‌هاي مايع بوسيله الگوهاي جريان خاص كه بستگي به شكل نازل دارد بصورت اسپره در فضا پخش مي شود.
يك افشانك يا ارفيس اگر مايع داراي آشفتگي كافي باشد، مي تواند باعث قطعه قطعه شدن مايع مي شود ولي نمي تواند به عنوان يك نازل بحساب بيايد زيرا داراي شكل اسپري مشخص و ويژه مانند يك نازل نخواهد بود.
سه نوع نازل برحسب منبع انرژي كه براي اسپره كردن بكار مي‌برند، وجود دارند.

فشاري ، سينماتيكي و سونيك.
(a نازل فشاري سانتيرفوژي (تك سياله)
اين نوع نازلها از انرژي فشاري جهت قطعه قطعه كردن توده سيال استفاده مي‌كنند. با تبديل انرژي فشاري به انرژي جنبشي درون لايه هاي تودة سيال لايه ها در اثر خواص فيزيكي مايع و اثر اصطكاك بين محيطي كه تخليه مي شود تودة مايع به قطعات مايع تبديل مي شود.
تبديل انرژي در اين نوع نازلها بطوري است كه باعث حالت چرخشي در مايع مي شود كه باعث تبديل انرژي بهتر مي گردد. اساس كار و شكل نازلهاي فشاري سانتريفوژي در شكل (۲-۱۰) ديده مي شود.