به نام خدا جریانهای برخورد کننده بسیاری از عملیات مهندسی که در بین دو فاز استخراج ناپذیر انجام می شود بوسیله انتقال جرم یا انتقال حرارت کنترل می شوند، بنابراین همواره کوشش می شود که تا حد امکان چنین مقاومتهایی را کاهش داد.
اولاً فرایندهای انتقال حرارت یا جرم گدر سیستم، گاز-جامد، گاز-مایه، مایع-مایع و جامد-مایع عموماً ممکن است با سه مقاومت سری دئر نظر گرفته شوئند، با فرض یک سیستم قطره مایع-گاز به عنوان حالت مبنا مشاهده شود.
ممکن است برحسب خواص سیستم مقاومت های زیر مؤثر باشند، مقاومت خارجی[1] مقاومت سطح[2]، مقاومت داخلی[3].
مقاومت داخلی را ممکن است با کاهش اندازه ذره فار پیوسته کاهش داد، اگر این کارها امکان پذیر نباشد باید زمان اقامت ذره را در داخل سیستم افزایش داد.
کاهش مقاومت خارجی ممکن است از طریق روشهای زیر میسر گردد.
a- افزایش سرعت حنسبی بین ذرات و فاز پیوسته که با افزایش اصطکاک بین فازها نیز مرتبط است b- کاهش ابعاد و ذرات که باعث کاهش ضخامت زیر لایه آرام که کنار سطح تشکیل می شود، می گردد.
کاهش ایجاد ذراتن باعث افزایش ضرایب انتقال می گردند.
c- توزیع یکنواخت فاز پراکنده درون فاز پیوسته.
d- اعمال تأثیرات دیرگر روی ذرات، مثل نیروهای اینرسی و سانتریفوژی مقاومت سطح با حذف ناخالصی ها ممکن است به دست آید.
در دهه 60 میلادی روش بسیار ویژه ای بعنوان جریانهای برخورد کننده[4] (IS) توسط [1]Elperin مطرح شد که روش بسیار مؤثری برای فرایندهای انتقال جرم و حرارت محسوب می گردد.
انتظار می رود که این سیستم ها بصورت گسترده ای مورد استفاده قرار بگیرند.
این سیستم می تواند برای سیستم های دو زمانه مایع-گاز-جامد بکار برود.
در این روش دو جریان در خلاف جهت هم روی یک محور به یکدیگر برخورد می کنند.
برای یک جریان نمونه گاز-جامد همانطور که در شکل 1-1 دیده یم شود دو جریان در وسط (ناحیه برخو.رد) به شدت به هم برخورد می کنند، بدلیل برخورد بین جریانهای مخالف، یک ناحیه نسبتاً باریکی یا تلاطم شدید ایجاد می شود، که شرایط بسیار مطلوبی را برای افزایش سرعت انتقال جرم و حرارت بوجود می آورد.
علاوه بر این در این ناحیه غلظت (تراکم) ذرات بیشترین مقدار است [2]، و بصورت یکنواخت تا نقطه تزریق کاهش می یابد، این تکنیک در سیستم های گاز-مایع مایع-مایع و جامد-مایع نیز بکار یم رود.
با توجه به شکل 1-1 جریان مخالف باعث ورود ذرات به داخل فاز پیوسته مقابل به علت وجود نیروی اینرسی می شود.
بعلت نیروی درگ سرعت ذره ها در فاز مخالف کاهش پیدا می کند و در نهایت همراه فاز پیوسته بر می گردد و دوباره به ناحیه برخورد می رسد و این عمل تکرار می گردد.
بطور کلی سه حالت ممکن استن برای ذرات در سیستم پیش بیاید.
اول ممکن است برخی ذرات بصورت رودررو با هم برخورد کنند و در نتیجه سرعت آنها صفر گردد و از سیستم بخاطر نیروی وزن خارج گردند.
دوم اینکه گاهی این برخورد با زاویه صورت بگیرد که باعث تغییر مسیر ذره شده و ذره را از سیستم خارج می کند.
در حالت سوم ذره بدون برخورد وارد جریان فاز پیوسته مقابل می شود.
با توجه به شکل 1-1 ذره در ابتدا هم سرعت فاز گاز می باشد و سرعت آن ug است وقتی که ذره وارد فاز مقابل می شود سرذعت نسبی فاز پیوسته و ذره برابر 2ug می باشد.
1-1 U=ug-(-ug)=2ug بنابراین سرعت ذره در ابتدای ورود به فاز پیوسته مقابل بیشترین مقدار و برابر 2ug است، با جرکت ذره به عمق فاز پیوسته مقابل به علت نیروی درگ رفته رفته از سرعت ذره کاسته می گردد و سرعت نسبی آن کم می شود.
1-2 U=Up-(-Ug)=Up-+Ug به اینکه سرعت ذره صفر می گردد و سپس همراه فاز پیوسته بر می گردد و سرعت آن افزایش می یابد، اگرچه در سیستم به علت اتلاف های انرژی سرعت ذره رفته رفته کم می شود، و از سیستم خارج می شود وای آمد و رفت های متوالی ذره در بین دو فاز باعث افزایش زمان اقامت در سیستم می شود تا اینکه ذره به علت اتلاف انرژی و یا حالت اول و دوم از سیستم خارج شود.
بنابراین جبرای تعداد ذرات توزیعی از زمان اقامت در سیستم وجود خواهد داشت که بصورت متوسط باعث بهبود عملیات انتقال در سیستم دو فازی می گردد.
مزایای جریانهای برخورد کننده بطور کلی جریانهای برخورد کننده بعلت شرایط ویژه، سرعت نسبی بالای فازها، برخورد و نیروهای برخوردی، افزایش زمان اقامت و تلاطم شدید در ناحیه برخورد باعث بهبود و افزایش پدیده های انتقال در سیستم می شوند.
افزایش سرعت نسبی U بین فازها که جریان پیوسته فاز متقابل می شوند.
که نسبت به راکتورهای دیگر بسیار بیشتر می باشد.
بعلت حرکت نوسانی در فاز پیوسته زمان اقامت ذرات در سیستم افزایش می یابد.
سطح مؤثر تماس بریا اتصال جرم و حرارت برابر سطح واقعی ذرات است، این حالت در دستگاههای دیگر وجود ندارد زیرا سطح تماس مؤثر کمتر از سطح واقعی ذرات است.
جریان آشفته ایجادا شده در نایه برخورد باعث افزایش ضرایب انتقال حرارت و جرم می شود.
بعلت برخورد ذرات و نیروهای بررسی در سیستم های گاز جامد باعث شکست ذرات می شود که باعث کاهش اندازه ذرات و افزایش سطح آنها می گردد.
در سیستم های مایع –گاز یا مایع مایع مزیت های زیر دیده می شود.
تبدیل جریان مایع به قطرات ریز که باعث افزایش سطح تماس می شود.
حرکت نوسانی قطرات باعث افزایش زمان اقامت می شود.
در منطقه برخورد جریان آشفته ایجاد می شود و باعث اختلاط کامل و کاهش گرادیان دما و غلظت در فاز پیوسته می شود که باعث افزایش انتقال بین دو فاز می شود.
و نیز افزایش ضرایب انتقال را در پی دارد.
افزایش زمان اقامت ذرات در راکتور و حرکت نوسانی به وسیله آزمایشات مختلف به اثبات می رسد.
انواع مختلف راکتورهای تک مرحله ای با جریانهای برخوردی در شکل 2-3 مشاهده می شود که برای سیستم های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.
بطور متداول راکتورهای با جریانهای برخورد کننده (ISR) از اجزاء زیر تشکیل می شوند.
تانک ذخیره خوراک؛ تغذیه کننده؛ دو لوله شتاب دهنده که به بدنه راکتور متصل است؛ بدنه راکتور؛ خروج محصول و خروج فاز پیوسته؛ جداکننده؛ تانک ذخیره محصول راکتورهای با جریانهای برخوردی (ISR) را بر مبنای تعداد جریانهای برخورد کننده، زاویه برخو.رد، شکل مجرای حاوی جریانها، مشخصات جریالن سیالها (برای مثال گردابه ای و غیر گردابه ای) و غیره، می توان به دسته ای بزرگ مختلفی تقسیم بندی کرد.
تقسیم بندی بخشی از انواع این نوع راکتورها که مورد بحث ثرار می گرد بوسیله Mujamdar , kudva ارایه گردیده است.
موارد مختلفی می تواند ملاک تقسیم بندی باشد - جریان در فاز پیوسته[5] (jet) - چرخش گردابه ای،[6] موازی[7] - جریان سیال درون راکتور[8] - مختلف الجهت و هم محور[9] - مختلف الجهت و غیر هم محور[10] - منحنی وار روی یک محور[11] - منحنی وار غیر هم محور - حالت و تعداد واحد برخورد حالت ثابت، حالت متحرک، چند منطقه ای شکل 2-4 تقسیم بندی راکتورهای با جریانهای برخوردی راکتورهای با جریان برخورد کننده با استفاده از اثرات جریانهای برخورد کننده برروی پدیده های انتقال برای سیستم های چند فازی مورد استفاده قرار می گیرند.
تکنیک IS (Impinging Streams) به تکنیک استفاده از جریانهای برخورد کننده در فرآیندهای گاز-گاز، گاز-جامد، گاز-مایع، مایع-مایع و مایع-جامد گفته می شود.
راکتورهای برخوردی ممکن است به دلایل زیر فقط در ساختارشان متفاوت باشند.
1- خواص مواد تحت فرآیند، گرانول، خمیر، محلول ها و ...
2- پارامترهای انجام پروسس، دما، فشار و ...
3- ملزوماتی که برای خواص محصول لازم است 4- مواد ساخت راکتور راکتورهای با جریانهای برخورد (ISR) بطور کلی به دو دسته تک مرحله ای و چند مرحله ای تقسیم می شوند.
در راکتورهای تک مرحله ای جریان ها فقط یک بار با یکدیگر برخورد می کنند.
در حالی که راکتورهای چند مرحله ای از تعدادی راکتور تک مرحله ای ساخته شده اند که جریانهای خروجی از هر راکتور وارد راکتور دیگر می شود.
یک شمای کلی از هر یک از دو دسته از راکتورهای با جریانهای برخوردی در شکل 2-1 و 2-2 دیده می شود.
2-1 راکتور برخورد تک مرحله ای شکل 3-1-a کتاب 2-2 راکتور برخوردی چند مرحله ای شکل 3-5 کتاب در راکتورهای چند مرحله ای با جریانهای برخورد کننده علاوه بر اینکه نوع هر یک از راکتورهای موجود می تواند مبنای تقسیم بندی آنها قرار بگیرد نحوه آرایش جریانها نیز اساس تقسیم بندی قرار می گیرد، این دو گونه، 2 جریان همسو و ناهمسو در شکل 2-2 مشاهده می گردد.
مسطح با جریان شعاعی، مسطح با جریان داره ای - نحوه کار راکتور خوراک پیوسته دو طرفه، خوراک پیوسته یک طرفه، نیمه پیوسته شکل و سیستم خاص هر یک از انواع راکتورهای با جریانهای برخومردی آنها برای کاربرد متفاوتی مناسب می کند.
2-1 انواع راکتورها با جریان های برخوردی 2-1-1 راکتور های سیکلونی با دو جریان برخورد کننده این راکتورها یکی از رایج ترین انواع راکتورهای برخورد کننده می باشند و در سیستمهای جامد – گاز و جامد – مایع کاربرد دارند.
یک نمونه از این راکتورها در واکنش گاز-جامد در شکل 2-5 نشان داده شده است.
راکتور از محفظه ای حلقه ای (منطقه شماره یک) که درون یک استوانه قرار دارد، تشکیل سده است (همانند یک سیکلون).
گاز از طریق دو لوله موازی ورودی به محفظه حلقه یا وارد می شود.
ذرات جامد از طریق مایه رساتن شماره 2، به درون جریان اصلی تزریق می شوند.
هر دو جریان داخل لوله های اصلی دارای یک شدت می باشند.
این دو جریان پس از ورود به محفظه حلقه ای، به دلیل میروی جانب مرکز و اثر ماگنوس به طرف مرکز راکتور منحرف می شوند و در نقطه 3 (منطقه برخوردی) با یکدیگر برخورد می کنند.
سیال پس از برخورد و ذرات پس از طی حرکت نوسانی خود به پایین می ریزند.
ذرات از طریق خروجی انتهای راکتور و سیال، اگر گاز باشد از طریق استوانه وسط (مانند شکل) و اگر مایع باشد، از طریق مجرای خروجی ذرات از راکتور خارج می شود.
این راکتورها یکی از رایج ترین انواع راکتورهای برخورد کننده می باشند و در سیستمهای جامد – گاز و جامد – مایع کاربرد دارند.
شکل 2-5 راکتور سیکلونی با دو جریان برخورد کننده از این راکتور در موارد زیر استفاده شده است.
خشک کردن ذرات جامد، اختلطظ گاز-گاز و جامد-جامد، انحلال ذرات و احتراق گازها.
1-1-2 راکتورهای سیلکونی با دو جریان برخورد کننده همراه با خوراک اضافی سیال این راکتورها مشابه با راکتورهای سیلکونی با دو جریان برخورد کننده و دارای دو منطقه برخورد می باشند (شکل 2-6).
سیال و ذرات از طریق لوله هیا موازی واقع در بالای راکتور وارد شده و در منطقه برخوردی با یکدیگر برخورد کرده و به پایین می ریزند.
در دو لوله پایین، تنها جریان سیال وجود دارد که با برخورد با ذرات، دومین منطقه برخوردی را به وجود می آورد.
با استفاده از این راکتور بعلت وجود دو منطقه ی برخموردی، زمان اقامت متوسط ذرات افزایش و عملیات اختلاط بهبود می یابد (نسبت به راکتورهای سیلکونی با دو جریان برخورد کننده و بدون خوراک اضافی سیال).
از این راکتور نیز همانند راکتورهای قبلی در خشک کردن جامدات انحلال و ذرات جامد در این راکتور بررسی شده است.
شکل 2-6 راکتور سیلکونی با دو جریان برخورد کننده همراه با خوراک اضافی سیال 2-1-3 راکتورهای سیلکونی با چهار جریان برخورد کننده این نوه راکتور همانطور که در شکل 2-7 مشاهده می شود از چهار جریان که بصورت موازی و مماسی وارد آن می شوند، تشکیل می شود.
در این راکتور چهار منطقه ی برخوردی (شماره های 3 و مناطق بین دو شماره 3 در شکل 2-7) بوجود می آید که می تواند بطور همزمان چهار نوع جامد مختلف را با یکدیگر مخلوط کرد.
از طرفی این راکتور در خشک کردن جامدات نیز کاربرد دارد.
2-1-4 راکتورهای با دو جریان برخورد کننده هم محور این دسته نیز در واکنشهای سیال – جامد بکار می روند.
در این راکتورها دو جریان بصورت هم محور و ناهمسو از طریق لوله های شماره 2 (شکل 2-8) وارد می شوند.
در ناحیه شماره 3 (منطقه برخوردی).
برخورد انجام شده و گاز از بالا و جامد و مایع از پایین خارج می شوند.
در این نوع راکتورها اختلاط، انحلال و خشک کردن جامدات انجام شده است.
2-1-5 راکتورهای پاششی با دو جریان برخورد کننده این راکتورها نیز از نوع راکتورهای هم محور می باشند که دو جریان بصورت همراستا و مختلف الجهت به سوی یکدیگر گسیل می شوند (شکل 2-9)، لذا دیگر برخورد جریانها با دیواره را مشاهده نمی کنیم.
در این راکتورها با استفاده از نازلها، جریان مایع و گاز به درون راکتور پخش می شود و در منطقه برخوردی اختلاط بین دو جریان و همچنین قطعه قطعه شدن ذرات مایع مشاهده می شود.
واکنشهای گاز-مایع و مایع-مایع در این راکتورها انجام می شود.
شکل 2-9 راکتور پاششی با دو