CFD Applications in Mining and Materials Production

استفاده از آهن از پنج هزار سال پیش و در عصر مفرغ آغاز گردید و رشته مهندسی معادن به عنوان اولین رشته مهندسی بود که بصورت آکادمیک در کشور انگلستان تأسیس شد. این مقدمه کاملا معرف قدمت، اهمیت و دامنه کاربرد استخراج و تولید مواد خام می‌باشد. از آنجائیکه بخش مهمی از استخراج و تولید مواد خام به انواع جریان سیال ارتبطا دارد لذا کاربرد CFD در این حوزه‌ها امری اجتناب ناپذیر است. بطور کلی کاربرد CFD را می‌توان در بخش‌هایی مثل کاربرد CFD در معادن و ماشین آلات استخراج، روش‌های تولید مواد فلزی و غیر فلزی دسته بندی نمود. در این مطلب سعی شده تا این کاربردها بصورت فهرست وار معرفی گردد.

کاربرد CFD در معادن و ماشین‌آلات استخراج

بخش عمده‌ای از کاربردهای CFD در طراحی ماشین آلات استخراج را می‌توان در مباحث مربوط به کاربرد CFD در خودرو سازی، توربو ماشین‌ها و غیره مشاهده نمود. اما کاربرد CFD در معادن به معادن زیر زمینی اختصاص دارد که مهمترین آن‌ها عبارتند از:

  • بررسی سلامت و ایمنی تونل‌های زیرزمینی
  • شبیه سازی توزیع انواع گازهای معدنی (Goaf Gas) در دالان‌ها و راهروها، اتاق‌ها و طبقات مختلف بویژه گازهای قابل اشتعال نظیر متان
  • شبیه سازی گاز زدایی در گمانه‌ها (Degassing Boreholes)
  • شبیه سازی و پالایش مقدار اکسیژن در فضاهای مختلف معدن
  • شبیه سازی گرد و غبار در فضاهای داخلی معدن

کاربرد CFD در تولید مواد فلزی

طی هزاران سال استخراج و تولید مواد فلزی روش‌های متنوع بسیاری در استخراج، تولید و تصفیه فلزات ابداع گشته و بسته به نیاز بکار گرفته می‌شود. پیشرفت دانش و تجربه بشری در این مورد تحت عنوان مهندسی متالورژی گردآوری و ادامه دارد. بیشترین حجم تولید مواد خام فلزی به فولاد اختصاص دارد. تولید فولاد در کوره‌های بلند (Blast Furnace) و تولید فولاد به روش احیای مستقیم (Direct Reduction: DR) و یا روش‌هایی مثل احیای مستقیم آهن اسفنجی (DRI) یا آهن قراضه (Scrap) در کوره‌های قوس الکتریکی (EAF) و یا کوره‌های القائی (IMF) اصلی‌ترین روش‌های استحصال فولاد هستند. مواردی که از CFD می‌توان برای حل مسائل سیالاتی مرتبط با تولید فولاد استفاده نمود عبارتند از:

  • شبیه سازی کانی خرد شده در آب با حل میدان جریان‌های چندفازی و ناپایا برای بررسی نحوه جداسازی ناخالصی‌های سبک‌تر از آب طی فرآیند تغلیظ (Concentration or Dressing)
  • شبیه سازی فرآیند کلسینه شدن (Calcination) بوسیله حل میدان‌های جریان‌ها همراه با واکنش‌های شیمیایی در کوره‌های انعکاسی (Reverberatory Furance) نظیر اکسیده شدن کربن، سولفور و تولید اکسید فریک
  • شبیه سازی انفجار هوای گرم (سوختن کک با هوای داغ) در کوره بلند برای تعیین گرما و دمای کوره در ناحیه احتراق (Combustion Zone) بوسیله حل جریان واکنشی کربن و اکسیژن و تولید دی اکسید کربن
  • شبیه سازی چگونگی تبدیل دی اکسید کربن به منواکسید کربن و مطالعه اثر گذاری پارامترهای مختلف در این فرآیند
  • شبیه سازی چگونگی تبدیل CaCO3 به اکسید کلسیم (CaO) و دی اکسید کربن (CO2) و مطالعه اثر گذاری پارامترهای مختلف در این فرآیند
  • شبیه سازی و مطالعه پارامتریک ترکیب CaO و SiO2 و تولید CaSiO3 که سرباره (Slag) کوره می‌باشد.
  • شبیه سازی حرکت سرباره به سمت پایین کوره و در منطقه گداختگی (Zone of Fusion) و خروج سرباره از کوره
  • شبیه سازی و مطالعه پارامتریک واکنش شیمیایی بین اکسید آهن و منواکسید کربن و تولید آهن و دی‌اکسید کربن در ناحیه احیا (Zone of Reduction)
  • شبیه سازی حرکت مذاب آهن خام و سرباره و رآیند سرد شدن آن‌ها
  • شبیه سازی حرکت گازهای داغ Co و N2 باقیمانده از سوخت هوای داغ به سمت غبارگیر (Dust Catcher) با حل میدان جریان در نواحی متخلخل
  • شبیه سازی احتراق گازهای عبوری از غبارگیرها و تعیین میزان گرمای آزاد شده و توزیع دمای هوای داغ وارد شونده به کوره بلند 
  • شبیه سازی تزریق اکسیژن و کربن توسط انژکتورها در کوره‌های قوس الکتریکی
  • شبیه سازی اکسیده شدن کربن، فسفر، منگنز، سیلیکون، آلومینیم و غیره در احیای مستقیم آهن
  • شبیه سازی حرکت مذاب سرباره و خروج آن از کوره‌های قوس الکتریکی کج شده 
  • شبیه سازی خنک کاری (با استفاده از آب) در فرآیند تولید شمش و نورد
  • شبیه سازی احتراق گاز طبیعی در ریفرمرها (Reformers) در روش احیای مستقیم فولاد
  • شبیه سازی واکنش‌های شیمیایی گرماگیر ترکیب متان با آب و دی‌اکسید کربن و تولید منو‌اکسید کربن و هیدروژن در لوله‌های کاتالیست (Catalyst Tubes)ریفرمرها با حل میدان جریان همراه با واکنش شیمیایی، انتقال حرارت و عبوری از نواحی متخلخل
  • تعیین مقادیر گازهای خروجی از ریکوپراتورها و ورود به دودکش‌ها (Stacks)
  • شبیه سازی احتراق در مشعل‌ها 
  • شبیه سازی جریان‌های چند فازی در سیکلون‌های رطوبت زدا (Mist Eliminator Cyclones)
  • شبیه سازی جریان‌های چند فازی در اسکرابرهای مرطوب (Wet Scrubbers)
  • میزان انتقال حرارت بین گازهای ورودی/خروجی ریفورمرها، ریکوپراتورها و دودکش از طریق فن‌ها و تعیین دمای خروجی آن‌ها با شبیه سازی جریان آشفته همراه با انتقال حرارت و همچنین گونه‌های شیمیایی 
  •  

شبیه سازی جریان در دودکش کارخانه احیای مستقیم فولاد

شبیه سازی جریان در اسکرابر با استفاده از مدل اویلرین
شبیه سازی جریان در wet scrubber ansys modelling با روش Eulerian

شبیه سازی جریان‌های چند فازی در اسکرابرهای مرطوب (Wet Scrubbers)

Cyclone-2phase simulation using Mixture model

شبیه سازی جریان‌های چند فازی در سیکلون‌های رطوبت زدا (Mist Eliminator Cyclones)

کاربرد CFD در تولید مواد غیر فلزی

در تولید بسیاری از موادهای خام غیر فلزی نقش CFD در فرآیند طراحی و توسعه آن‌ها انکار ناپذیر است. به عنوان مهمترین این مورد می‌توان به تولید PVC اشاره کرد گه استفاده از CFD در توسعه و بهینه سازی‌های فرآیند ساخت بشدت حائز اهمیت است. اصلی‌ترین کاربردهای CFD در تولید مواد PVC عبارتند از:

  • شبیه سازی و حل میدان جریان به منظور محاسبه میدان سرعت، فشار و دمای اتیلن عبوری از لوله‌ها و ورودی به رآکتور کلرینیشن (Chlorination) 
  • شبیه سازی فرآیند کلرینه کردن (Chlorination) در رآکتور کلرینیشن با حل جریانه همراه با واکنش اتیلن و کلرین
  • شبیه سازی فرآیند اکسی‌کلرینیشن با حل جریان همراه با واکنش شیمیایی اتیلن، اکسیژن و اسید هیدروکلرین
  • شبیه سازی فرآیند کرکینگ (Cracking) ماده EVC در کوره‌ها با حل میدان جریان همراه با انتقال حرارت و واکنش شیمیایی و تولید مواد VCM و هیدروکلرید اسید
  • شبیه سازی فرآیند خنک کاری بسیار سریع (Quenching) ماده VCM خروجی از کوره‌ها در مبدل‌های حرارتی
  • شبیه سازی خنک کاری با آب (Cooling) با حل میدان جریان آشفته دوفازی همراه با انتقال حرارت
  • شبیه سازی پالایش یا تصفیه (Purification) ماده VCM در برج‌ها
  • شبیه سازی تهویه مطبوع و بررسی تجهیزات مرتبط در داخل اتاق‌های کنترل
  • شبیه سازی پلیمریزه کردن در اتوکلاو با حل میدان‌های چندفازی و همراه با واکنش شیمیایی با تبدیل VCM به PVC
  • شبیه سازی فرآیند سانتریفیوژ کردن با توجه به ذات دوغابی بودن PVC برای جداسازی آب از آن
  • شبیه سازی خشک کردن PVC در خشگ کن‌ها

لازم به ذکر است موارد فوق مربوط به تولید مواد مذاب غیر فلزی می‌باشد. در تولید مواد به روش لایه نشانی همانند پوشش سرامیکی با استفاده از پودر نیز استفاده از CFD با جل میدان جریان‌های چندفازی همراه با رسوب (Sedimentation) امکان پذیر است. علاوه بر این، روز به روز نقش CFD در طراحی و بهینه سازی دستگاه‌ها و تجهیزات مرتبط نظیر کارکرد و عملکرد کوره‌ها، اتوکلاوها، پایپینگ، شیرآلات و غیره تحت شرایط مختلف در حال افزایش است.

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ