مدل‌سازی ریاضی و مطالعه‌ی عملکرد رآکتور دوار تولید دی‌اکسید اورانیم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، صندوق پستی: 775-14155، تهران- ایران

2 دانشکده مهندسی، دانشگاه اصفهان،‌ صندوق پستی: 73441-81746، اصفهان ـ ایران

چکیده

در این تحقیق عملکرد رآکتور دوار تولید دی‌اکسید اورانیم (2(UO از تتراآمونیم اورانیل کربنات (AUC) مورد مدل‌سازی ریاضی قرار گرفته است. بدین منظور معادلات حاکم شامل معادلات پایستگی جرم جزیی و کلی مربوط به اجزای جامد و گازی موجود در رآکتور، و معادلات موازنه‌ی انرژی برای فازهای جامد و گاز بر مبنای قوانین پایستگی استخراج گردیده و این معادلات همراه با معادلات مربوط به محاسبه‌ی شرایط هیدرودینامیکی رآکتور، خواص ترموفیزیکی مواد موجود در رآکتور و مدل سینتیکی مربوط به روش عددی حل گردیده‌اند. با توجه به عدم تطبیق روابط سینتیکی ارایه شده در منابع و مراجع مورد استناد با نیازهای مدل‌سازی صورت گرفته، یک مدل سینتیکی جدید برای مدل‌سازی واکنش‌های موجود در رآکتور ارایه گردیده است. نتایج حاصل از مدل با نتایج و روند مورد انتظار، بر مبنای اصول کلی علم مهندسی شیمی و مشاهدات و داده‌های تجربی مربوط به یک واحد عملیاتی موجود مورد مقایسه قرار گرفته و روند صحیح پاسخ‌های مدل مورد تأیید قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mathematical Modeling and Performance Analysis of a Rotary Reactor Used for UO2 Production

نویسندگان [English]

  • J Moshayyedi 1
  • A Rahimi 2
  • G.R Jahanfarnia 1
چکیده [English]

In the present study the rotary reactor used for producing UO2 from AUC is modeled. For this purpose, the governing equations, including mass and energy balance equations for the existing species and phases are derived based on the conservation laws and then they were solved numerically. All other required parameters for solving the governing equations, including the geometrical characteristics of the solid bed, hydrodynamic conditions of the bed and reactor, thermo-physical properties of gaseous and solid species and existing reactions were obtained from the literature and were used. Individual reaction kinetics, presented in the literature for the reactions which are taking place in this reactor, shows many shortages for condition in which all the reactions are taking into account simultaneously. Thus, for the first time, a new kinetics model is proposed and is applied successfuly. The results of using the model are in good agreement with the logical and expected behavior which can be obtained based on the principles of chemical engineering science. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • UO2
  • AUC
  • Rotary Reactor
  • Modeling
  • Kinetics Model
  1. 1.    J.D. Sullivan, C.G. Maier, O.C. Ralston, “Passage of solid particles through rotary cylindrical kilns,” US Bureau of Mines, Technical Papers 384, 1-42 (1927).

 

  1. 2.    W.C. Saeman, “Passage of solids through rotary kilns,” Chem. Eng. Prog, 47, 508-514 (1951).

 

  1. 3.    E.F. Lebas, F. Hanrot, D. Ablitzer, J.L. Houzelot, “Experimental study of residence time, particle movement and bed depth profile in rotary kilns,” Can. J. Chem. Eng, 73, 173-179 (1995).

 

  1. 4.    M.D. Heydenrych, P. Gree, A.B.M. Heesink, G.F. Versteeg, “Mass transfer in rolling rotary kilns: a novel approach,” Chem. Eng. Sci, 57, 3851–3859 (2002).

 

  1. 5.    L. Yang and B. Farouk, J & AWM A, 47, 1189-96 (1997).

 

  1. 6.    H. Kramers and P. Crookewit, “The passage of granular solids through inclined rotary kilns,” Chem. Eng. Sci, 1, 259 (1952).

 

  1. 7.    H. Heinen, J.K. Brimacombe, A.P. Watkinson, “Experimental study of transverse bed motion in rotary kilns,” Metall. Trans, 14B, 191-205 (1983).

 

  1. 8.    A. Sass, “Simulation of the heat transfer phenomena in a rotary kiln,” P.D & D, 6(4), 532-535 (1967).

 

  1. 9.    F. Marias, H. Roustanb, Pichat, “A. Modelling of a rotary kiln for the pyrolysis of Aluminium waste,” Chem. Eng. Sci, 60, 4609-4622 (2005).

 

10. Ortiz, Su´arez, Nelson, “Dynamic simulation of a pilot rotary kiln for charcoal activation,” Comput. Chem. Eng, 29, 1837–1848 (2005).

 

11. F. Patisson, E. Lebas, F. Hanrot, D. Ablitzer, J.L. Houzelot, “Coal pyrolysis in a rotary kiln: Part II. Overall Model Of The Furnace,” MMTB, 31B, 391-402 (2000).

 

12. F. Marias, “A model of a rotary kiln incinerator including processes occurring within the solid and the gaseous phases,” Comput. Chem. Eng, 27, 813-825 (2003).

 

13. G.M. Miller, “Agglomeration drum selection and design process,” Agglo. P. A. (2005).

 

 

14. V. Ramakrishnan, P.S.T. Sia, “Mathematical modeling of pneumatic char injection in a direct reduction rotary kiln,” MMTB, 30B, 969-977 (1999).

 

15. Ge. Qingren, K. Shifang, K, “Study of AUC thermal decomposition kinetics in nitrogen by a non-isothermal method,” Thermochimica Acta, 116, 71-77 (1987).

 

16. B. Dussoubs, J. Jourde, F. Patisson, J.L. Houzelot, D. Ablitzer, “Modeling of a moving bed furnace for the production of uranium tetrafluoride, Part 1: formulation of the model,” Chem. Eng. Sci, 58, 2617-2627 (2003).

 

17. L.A.H. Page, A.G. Fane, “The kinetics of hydrogen reduction of UO3 and U3O8 drived from ammonium diuranate,” Inorg. Nucl. Chem, 36, 87-92 (1974).