مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی: آنالیز تنش حرارتی

زیبایی COMSOL این است که بدون توجه به نوع شبیه سازی هایی که انجام می دهید، یک پلت فرم مدل سازی یکپارچه را فراهم می کند. این تقریباً برای بازار CAE منحصر به فرد است. اخیراً ما به شما نشان دادیم که چگونه واکنش های شیمیایی را با استفاده از یک راکتور یکپارچه به عنوان مثال مدل سازی کنید. ابتدا شما را در حل سینتیک واکنش و سپس شامل جریان پلاگین راهنمایی کردیم، سپس یک مدل سه بعدی در مقیاس کامل از راکتور ایجاد کردیم. یک مهندس شیمی ممکن است با استفاده از نرم‌افزار بهینه‌سازی شده برای این نوع شبیه‌سازی احساس راحتی کند، اما اگر مجبور باشد سایر ویژگی‌های دستگاه یا فرآیند را نیز در نظر بگیرد، چه؟ به عنوان مثال، یک مبدل کاتالیزوری یک راکتور گرمازا است که در نزدیکی اگزوز یک ماشین یا کامیون قرار می‌گیرد و ممکن است قبل از تعویض، برای مدت زمانی که باید زنده بماند و به اندازه کافی کار کند، الزاماتی وجود داشته باشد.

مدل سه بعدی یک راکتور یکپارچه نسبت شیمیایی پیشنهادی را تایید می کند

برای خلاصه کاری که در دو پست وبلاگ قبلی انجام دادیم، تحلیل سینتیک واکنش و مدل جریان پلاگین نسبت NH ₃ :NO 1.3 را پیشنهاد کرد و مدل سه بعدی کامل ما از راکتور یکپارچه این نسبت را تأیید کرد. مدل سه‌بعدی همچنین به ما امکان می‌دهد بفهمیم که چگونه سیستم در مقیاس کامل کار می‌کند، و ما را به یک تحلیل نهایی برای انجام رساند: استرس حرارتی .

مدل کاهش انتخابی NO در یک راکتور یکپارچه

انجام آنالیز تنش حرارتی

ما قبلاً تعیین کرده ایم که چه مقدار آمونیاک برای سیستم خود نیاز داریم و راکتور چگونه باید باشد. همانطور که قبلاً اشاره کردیم ، راکتور یکپارچه تغییر مداوم دما را تجربه می کند. گرما توسط مواد شیمیایی تولید می شود که با درجات مختلف در سراسر سیستم به محیط اطراف پراکنده می شود. این شار دما همراه با خواص مواد مختلف که ساختار از آن ساخته شده است می تواند منجر به تنش حرارتی شود. بنابراین، برای بهینه سازی واقعی عملکرد راکتور، باید تنش حرارتی را تجزیه و تحلیل کنیم.

بیایید فرض کنیم مدل سه بعدی را که در قسمت 2 این مجموعه ایجاد کردیم در ماژول مهندسی واکنش شیمیایی باز شده است . قبل از اینکه بتوانیم تحلیل تنش حرارتی خود را بر روی مدل اجرا کنیم، باید آن را با جفت کردن میدان دما به تحلیل مکانیک سازه گسترش دهیم. ویژگی ها و معادلات مورد نیاز برای تحلیل تنش و مکانیک جامدات خطی و غیرخطی کلی در رابط مکانیک جامدات در ماژول مکانیک سازه موجود است . این معادلات کلید تحلیل انبساط حرارتی هستند.

بارهای حرارتی:

σ = D ε _el + σ0 = D (ε–ε _th – ε ₀ ) + σ ₀

در این معادله σ تنش، D ماتریس الاستیسیته و ε نشان دهنده کرنش است.

کرنش حرارتی:

ε _th = α( T – T _ref )

در اینجا α ضریب انبساط حرارتی، T دما (کلوین)، و T _ref دمای مرجع بدون کرنش (همچنین کلوین) است.

نتایج

هنگامی که ما فیزیک را حل کردیم و مدل خود را تنظیم کردیم، به شکل زیر خواهد بود:

نمودار برش تانسور تنش.

در شکل بالا می توانید مولفه x تانسور تنش را در چندین مقطع نشان دهید. رنگ آبی تیره ای که در بلوک های کانال می بینید، تقریباً در نیمه راه کانال، مقادیر منفی زیاد یا تنش های فشاری را نشان می دهد. این نیز جایی است که تنش های کششی (رنگ قرمز) بیشترین میزان را دارد. بنابراین منطقه بیشترین شکست بالقوه با میدان دمایی نشان داده شده در مدل سه بعدی ما مطابقت دارد .

از طرف دیگر، ما مناطق بیرونی کانال های خود را داریم، به ویژه در انتهای مبدل. در اینجا، واکنش‌های زیادی رخ نداد: دما پایین‌تر بود و تنش‌های بسیار کمتری وجود داشت. به طور خلاصه، ما می توانیم حداکثر تنش فشاری خود را حدود 5.0 مگاپاسکال و تنش کششی را حدود 7.2 مگاپاسکال ارزیابی کنیم. (در طول راه اندازی سیستم، انتظار می رود سطوح استرس قابل توجه تر باشد).

نتیجه گیری و مراحل بعدی

با این تجزیه و تحلیل تنش حرارتی ما اکنون مجموعه وبلاگ “مدل سازی واکنش های شیمیایی” را به پایان رسانده ایم. ما تجزیه و تحلیل سینتیک را انجام داده‌ایم، یک مدل جریان پلاگین ایجاد کرده‌ایم، یک مدل در مقیاس کامل ایجاد کرده‌ایم، و حتی سایر فیزیک‌ها را که بر عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارند، بررسی کرده‌ایم. اکنون می دانیم که چه مقدار آمونیاک لازم است، سیستم چگونه به نظر می رسد و چگونه عمل می کند. مراحل بعدی به عهده شماست – شاید بتوانید خودتان این مشکل چندفیزیکی را مدلسازی کنید ؟

سایر پست های این مجموعه

1. مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی: سینتیک
2. مدل سازی واکنش های شیمیایی: مدل سه بعدی یک راکتور یکپارچه