توسعه مدل دوبعدی CFD برای فرآیند کلسیناسیون کک نفتی در کوره دوار

اقبال احمدی, محمدحسین; طیبی, شکوفه

توسعه مدل دوبعدی CFD برای فرآیند کلسیناسیون کک نفتی در کوره دوار

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

محمدحسین اقبال احمدی ¹

شکوفه طیبی ²

¹ عضو هیات علمی گروه مهندسی شیمی، دانشگاه تفرش، تفرش، ایران

² پژوهشکده توسعه فناوریهای پالایش و فرآورش نفت، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

چکیده

موضوع تحقیق

کلیسناسیون کک نفتی فرآیندی شیمیایی است که طی آن کک نفتی به علت بالا رفتن حرارت، رطوبت و مواد احتراق پذیر فرار را از دست میدهد و در نهایت ارتقای خواص فیزیکی کک کلسینه را باعث میگردد. در این مقاله، فرآیند کلسیناسیون کک نفتی توسط کوره دوار بررسی و به کمک روش CFD به صورت دوبعدی مدلسازی می شود. هدف از مدلسازی و شبیه سازی آن، شناخت رفتار دمایی، غلظتی و حرکت سیال گاز داخل کوره است، تا بتوان بر اساس شناخت بهدست آمده، طراحی و کنترل آن را به درستی انجام داد.

روش تحقیق

برای این منظور از نرم افزار کامسول کمک گرفته شد. کوره دوار کلسیناسیون کک نفتی شامل دو فاز جامد و گاز است که به صورت ناهمسو از کنار هم عبور می کنند. همه فیزیک های پیچیده موجود در سیستم، شامل واکنش های شیمیایی، انتقال حرارت های هدایتی، جابجایی و تشعشعی، انتقال جرم های درون فازی و بین فازی، تبخیر و رهایی مواد از فاز جامد به فاز گاز، ملاحظات آشفتگی جریان و روابط پیچیده آن در نظر گرفته شد. در نتیجه حل مدل به روش المان محدود، تغییرات متغیرهای اصلی شامل دما، غلظت مواد و سرعت سیال در بستر بدست آمد.

نتایج اصلی

نتایج نشان داد که تزریق میان بستری هوا نقش مهمی در ایجاد تغییرات در دما (حدود 100 درجه افزایش) و سرعت گرفتن واکنش های احتراق دارد. هم چنین بیشترین دمای کوره 1910 درجه سانتیگراد بدست آمد. تغییرات غلظت مواد در فاز گاز نیز عمدتا در هنگام ورود به بستر و در نواحی نزدیک تزریق میان بستری دیده شد. مقایسه نتایج با کارهای مشابه نشان از دقت بالای مدل سازی انجام شده بود.

کلیدواژه‌ها

کلسیناسیون

کک نفتی

کوره دوار

مدلسازی

CFD

موضوعات

انتقال جرم

عنوان مقاله English

A 2-Dim CFD model development for petroleum coke calcination process in rotary kiln

نویسندگان English

Mohammad Hosein Eghbal Ahmadi ¹

Shokoufe Tayyebi ²

¹ Department of Chemical Engineering, Tafresh University, Tafresh 39518 79611, Iran.

² Petroleum Refining Technology Development Division, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran

چکیده English

Subject

Petroleum coke calcination is a chemical process during which the petroleum coke loses moisture and volatile combustible materials due to the increase in temperature and ultimately improves the physical properties of the calcined coke. In this study, A 2-Dim model was developed for the petroleum coke calcination process via rotary kiln using the CFD approach. Understanding the temperature, concentration, and fluid movement behavior are the main goals for developing the simulation model, by using which the rotary kiln control and design can be performed.

Methodology

Comsol Multiphysics was applied to develop the simulation model. Petroleum coke rotary kiln calcination consists of two solid and gas phases, which cross each other counter-currently. All governing physics in the system, including chemical reactions, heat transfer via conduction, convection, and radiation, intra-phase and interphase mass transfer, evaporation or evolution of components from the solid phase into the gas phase, fluid turbulency and all complex relationships were considered. Using the finite element method, the governing equations of the model were solved, and consequently, the variation of temperature, components concentration, and fluid velocity was calculated.

The main results

It is concluded that tertiary air injection significantly affects the temperature profile and combustion reactions in the bed (About 100 degrees increase in temperature). In addition, the maximum temperature of 1910 °C has been achieved in the kiln. Concentration changes of components in the gas phase were also seen mainly in the bed entrance and in the areas near the tertiary air injection. Comparing the results with similar works showed the high accuracy of the developed model

کلیدواژه‌ها English

Calcination

Petroleum Coke

Rotary kiln. Modeling

CFD

1) Edwards, L. The history and future challenges of calcined petroleum coke production and use in aluminum smelting. Jom, 67, 308-321, 2015.
2) Boateng, A. A. Rotary kilns: transport phenomena and transport processes. Butterworth-Heinemann, 2015.
3) Lyons, J. W., Min, H. S., Parisot, P. E., & Paul, J. F. Experimentation with a wet-process rotary cement kiln via the analog computer. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 1, 29-33, 1962.
4) Li, K. W. Entrainment in rotary cylinders. AIChE Journal, 20, 1031-1034, 1974.
5) Essenhigh, R. H., Froberg, R., & Howard, J. B. Combustion behavior of small particles. Industrial & Engineering Chemistry, 57, 32-43, 1965.
6) Modak, A. T. Radiation from products of combustion. Fire Safety Journal, 1, 339-361, 1979.
7) Tscheng, S. H., & Watkinson, A. P. Convective heat transfer in a rotary kiln. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 57, 433-443, 1979.
8) Gorog, J. P., Adams, T. N., & Brimacombe, J. K. Regenerative heat transfer in rotary kilns. Metallurgical transactions B, 13, 153-163, 1982.
9) Bui, R. T., Tarasiewicz, S., & Charette, A. A computer model for the cement kiln. IEEE Transactions on Industry Applications, 4, 424-430, 1982.
10) Perron, J., & Bui, R. T. Rotary cylinders: solid transport prediction by dimensional and rheological analysis. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 68, 61-68, 1990.
11) Perron, J., Nguyen, H. T., & Bui, R. T. Modélisation d'un four de calcination du coke de pétrole: II. Simulation du procédé. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 70, 1120-1131, 1992.
12) Bui, R. T., Perron, J., & Read, M. Model-based optimization of the operation of the coke calcining kiln. Carbon, 31, 1139-1147, 1993.
13) Martins, M. A., Oliveira, L. S., & Franca, A. S. Modeling and simulation of petroleum coke calcination in rotary kilns. Fuel, 80, 1611-1622, 2001.
14) Csernyei, C., & Straatman, A. G. Numerical modeling of a rotary cement kiln with improvements to shell cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 102, 610-621, 2016.
15) Mujumdar, K. S., & Ranade, V. V. Simulation of rotary cement kilns using a one-dimensional model. Chemical engineering research and design, 84, 165-177, 2006.
16) Elkanzi, E. M., Marhoon, F. S., & Jasim, M. J. Rate-based Simulation of Coke Calcination in Rotary Kilns. Simultech, 5-10, 2012.
17) Elkanzi, E. M., Marhoon, F. S., & Jasim, M. J. Kinetic Analysis of the Coke Calcination Processes in Rotary Kilns. In Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications, Springer, Cham, 45-54, 2014.
18) Bui, R. T., Simard, G., Charette, A., Kocaefe, Y., & Perron, J. Mathematical modeling of the rotary coke calcining kiln. The Canadian journal of chemical engineering, 73, 534-545, 1995.
19) Atmaca, A., & Yumrutaş, R. Analysis of the parameters affecting energy consumption of a rotary kiln in cement industry. Applied Thermal Engineering, 66, 435-444, 2014.
20) Zhang, Z., & Wang, T. Simulation of Combustion and Thermal-Flow Inside a Petroleum Coke Rotary Calcining Kiln: Part 2—Analysis of Effects of Tertiary Airflow and Rotation. In ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 43765, 211-223, 2009.
21) Zhang, Z., & Wang, T. Simulation of Combustion and Thermal-Flow Inside a Petroleum Coke Rotary Calcining Kiln—Part I: Process Review and Modeling, 2010.
22) Ryan, J., Bussmann, M., & DeMartini, N. CFD Modelling of Calcination in a Rotary Lime Kiln. Processes, 10, 1516. 2022.
23) Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Pearson education, 2007.