شماره مدرك
21192
شماره راهنما
18159
پديد آورنده
عموشاهي، عليرضا
عنوان
مدلسازي ترموديناميكي و شبيهسازي عددي يك كريستالايزر گردش اجباري بهمنظور بازيافت آب در فناوري تصفيهي پساب بدون پسماند مايع
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
سيزده، 82ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
كريستالايزر , تصفيهي پساب بدون پسماند مايع , گردش اجباري , بازيافت آب , مدلسازي ترموديناميكي , شبيهسازي عددي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/05/19
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/05/19
كد ايرانداك
23238744
چكيده فارسي
در اين پژوهش، طراحي و مدلسازي كريستالايزر گردش اجباري با هدف ارائه يك چارچوب جامع براي پيشبيني عملكرد و طراحي سيستم انجام شد. ابتدا روابط موازنهي جرم و انرژي و سينتيك تبلور استخراج و در قالب يك الگوريتم عددي پيادهسازي گرديد. الگوريتم توسعهيافته امكان محاسبهي حجم دستگاه، دبيها (بازچرخاني، آب بازيافتشده و بلور حاصلشده)، شرايط عملياتي و ميزان انرژي ورودي به سيستم را فراهم ساخت.
در ادامه، مدل در محيط متلب كدنويسي شد و يك نمونه كريستالايزر صنعتي طراحي گرديد. همچنين اثر پارامترهاي مهمي نظير شرايط تغذيه، دماي بخار، دماي خروجي از مبدل حرارتي و غلظت خروجي از كريستالايزر بر عملكرد سيستم بررسي گرديد. نتايج نشان داد كه افزايش دماي تغذيه منجر به كاهش جزئي بار حرارتي مبدل و افزايش اندك توان پمپ ميشود؛ افزايش دبي جرمي تغذيه منجر به افزايش حجم كريستالايزر، افزايش دبي جرمي جريان بازچرخاني، افزايش دبي جرمي آب بازيافتشده و افزايش ميزان نمك جامد استحصالشده ميشود؛ افزايش غلظت تغذيه منجر به كاهش حجم كريستالايزر، كاهش دبي جرمي جريان بازچرخاني، كاهش دبي جرمي آب بازيافتشده و افزايش ميزان نمك جامد استحصالشده ميشود؛ افزايش دماي بخار منجر به افزايش دما و فشار كريستالايزر، افزايش شديد حجم كريستالايزر، افزايش شديد دبي جرمي جريان بازچرخاني، افزايش نسبتاً زياد توان پمپ، كاهش جزئي بار حرارتي مبدل و كاهش بار حرارتي كندانسور ميشود؛ افزايش دماي خروجي از مبدل حرارتي منجر به كاهش نسبتاً شديد حجم كريستالايزر، كاهش نسبتاً شديد دبي جرمي جريان بازچرخاني، كاهش قابل توجه توان پمپ و افزايش اندك بار حرارتي مبدل ميشود؛ افزايش غلظت خروجي از كريستالايزر نيز منجر به افزايش حجم كريستالايزر، افزايش دبي جرمي جريان بازچرخاني، افزايش دبي جرمي آب بازيافتشده و كاهش ميزان نمك جامد استحصالشده ميشود. همچنين دو پارامتر دماي بخار و دماي خروجي از مبدل حرارتي، به علت حساسيت زياد نتايج نسبت به تغييرات آنها، از اهميت بالايي در طراحي كريستالايزر برخودارند؛ به همين دليل، انتخاب دقيق و هوشمندانهي اين دو پارامتر ميتواند در دستيابي به يك طرح بهينه و مؤثر كمك كننده باشد.
در گام نهايي، به منظور درك بهتر الگوي جريان و بررسي اندازهي ذرات، شبيهسازي سيافدي سهبعدي-دوفازي كريستالايزر در انسيس فلوئنت انجام شد. نتايج نشان داد كه رشد ذرات به خوبي درحال شكل گرفتن است بهگونهاي كه ذرات با قطر متوسط 75.2 ميكرومتر و قطر ساتر 121.1 ميكرومتر وارد كريستالايزر ميشوند و در ادامه با قطر متوسط 89.8 ميكرومتر و قطر ساتر 191.3 ميكرومتر كريستالايزر را ترك ميكنند.
در نهايت، نتايج اين تحقيق نشان ميدهد كه تركيب مدلسازي ترموديناميكي و شبيهسازي سيافدي ميتواند ابزار مؤثري براي طراحي و بهينهسازي كريستالايزرهاي صنعتي باشد.
چكيده انگليسي
In this study, a forced circulation crystallizer was designed and modeled with the aim of developing a comprehensive framework for performance prediction and system design. First, the governing mass and energy balance equations, along with crystallization kinetics, were derived and implemented within a numerical algorithm. The developed algorithm enabled the calculation of the crystallizer volume, mass flow rates (including recirculation, recovered water, and produced solid salt), operating conditions, and the required energy input to the system.
Subsequently, the model was coded in MATLAB, and an industrial-scale crystallizer was designed as a case study. The effects of key parameters—such as feed conditions, vapor temperature, heat exchanger outlet temperature, and crystallizer outlet concentration—on system performance were systematically investigated.
The results indicated that increasing the feed temperature leads to a slight reduction in the heat exchanger heat load and a marginal increase in pump power. Increasing the feed mass flow rate results in an increase in all major parameters, including crystallizer volume and mass flow rates of the recirculation, recovered water, and produced solid salt. An increase in feed concentration decreases the crystallizer volume, recirculation mass flow rate, and recovered water mass flow rate, while increasing the amount of solid salt produced.
Raising the vapor temperature increases the crystallizer temperature and pressure, significantly enlarges the crystallizer volume, substantially increases the recirculation mass flow rate, and notably increases pump power, while slightly decreasing the heat exchanger heat load and reducing the condenser heat load. Increasing the heat exchanger outlet temperature leads to a relatively pronounced reduction in crystallizer volume and recirculation mass flow rate, a considerable decrease in pump power, and a slight increase in heat exchanger heat load. Furthermore, increasing the crystallizer outlet concentration results in increases in crystallizer volume, recirculation mass flow rate, and recovered water mass flow rate, while reducing the amount of produced solid salt.
Among the studied parameters, vapor temperature and heat exchanger outlet temperature exhibited the highest sensitivity and therefore play a critical role in crystallizer design. Careful and informed selection of these two parameters can significantly contribute to achieving an optimal and efficient design.
In the final stage, to gain deeper insight into the flow pattern and particle size distribution, a three-dimensional, two-phase CFD simulation of the crystallizer was performed using ANSYS Fluent. The results demonstrated well-developed particle growth behavior: particles entered the crystallizer with a mean diameter of 75.2 µm and a Sauter diameter of 121.1 µm, and exited with a mean diameter of 89.8 µm and a Sauter diameter of 191.3 µm.
Overall, the findings of this research indicate that the integration of thermodynamic modeling and CFD simulation provides an effective and reliable tool for the design and optimization of industrial crystallizers.
استاد راهنما
رامين كوهي كمالي
استاد داور
محسن دوازده امامي , احمد سوهان كار اصفهاني