مدلسازی واکنشهای شیمیایی: سینتیک
در مهندسی واکنش شیمیایی، شبیه سازی برای بررسی و بهینه سازی یک فرآیند یا سیستم واکنش خاص مفید است. مدلسازی واکنشهای شیمیایی به مهندسان کمک میکند تا به طور مجازی از شیمی، اندازه و طراحی بهینه سیستم و نحوه تعامل آن با سایر فیزیکهایی که ممکن است وارد عمل شوند، درک کنند. این اولین مورد از یک سری پست های وبلاگ در مورد مهندسی واکنش شیمیایی است و در اینجا نگاهی به مراحل اولیه مدل سازی برنامه خواهیم داشت: سینتیک واکنش شیمیایی.
چرا واکنش های شیمیایی را مدل می کنیم؟
هنگام توسعه سیستم های شیمیایی، البته مهم است که درک عمیقی از فرآیند واکنش شیمیایی به دست آوریم. مثالی از یک راکتور یکپارچه در سیستم اگزوز خودروها بزنید. می دانید که باید مواد شیمیایی مضر (در این مورد اکسید نیتروژن؛ NO) را با یک ماده شیمیایی (در این مورد آمونیاک؛ NH 3 ) کاهش دهید تا گازی که ساطع می شود کمتر سمی باشد. همچنین ممکن است بدانید که برای کاهش NO به آمونیاک کافی نیاز دارید، اما نه آنقدر که آمونیاک به هدر برود یا خود در سطوح ناخوشایند و حتی خطرناک در جو آزاد شود. علاوه بر این، آمونیاک را می توان با اکسیداسیون – در واکنشی موازی با کاهش NO – تخلیه کرد.
کاهش NO توسط آمونیاک:
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
اکسیداسیون موازی آمونیاک:
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
سرعتی که این دو واکنش رقیب رخ می دهند تحت تأثیر دما و ترکیب است. چیزی که نمیدانید – هنوز – مقدار ایدهآل آمونیاک برای گنجاندن در سیستم شما است (و اندازه و شکل آن سیستم، بیشتر در مورد آن در یک پست وبلاگ آینده آمده است).
برای اینکه بفهمید به چه مقدار آمونیاک نیاز دارید، برای به دست آوردن مقدار مناسب اما نه بیش از حد (آمونی که گلدیلاک را لبخند میزند)، باید سرعت واکنش و سینتیک واکنش مرتبط با آنها را مطالعه کنید. قوانین نرخ واکنش بر اساس فرضیه ها یا فرضیات (آگاهانه) در مورد مکانیسم های واکنش شیمیایی است که به نوبه خود توسط آزمایش های دقیق انجام شده در شرایط کنترل شده پشتیبانی می شود. در این مورد «دقیق» و «کنترل شده» کدهایی برای «زمانگیر» و «مشکل» هستند. حالا شما به من بگویید: ترجیح می دهید این کار را با دست انجام دهید یا با رایانه؟
تجزیه و تحلیل سینتیک واکنش NO در یک راکتور یکپارچه
فرض کنید در حال کار بر روی مسئله کاهش NO برای یک راکتور کاتالیزوری هستیم و به این نتیجه رسیده ایم که به نسبت 1:1 NH 3 به NO به عنوان حد پایین بر اساس استوکیومتری نیاز داریم . همانطور که از بالا می دانیم، آمونیاک نیز در واکنش موازی مصرف می شود، بنابراین این نسبت باید بیشتر باشد. ما می خواهیم سینتیک واکنش را بیشتر تجزیه و تحلیل کنیم و این کار را از طریق گزینش پذیری انجام دهیم، که نسبت بین سرعت واکنش واکنش کاهش NO و واکنش اکسیداسیون NH 3 است . با استفاده از COMSOL Multiphysics و ماژول مهندسی واکنش شیمیایی ، میتوانیم مجموعهای از مطالعات را برای تعیین نسبت بهینه مواد شیمیایی در راکتور خود انجام دهیم.
![]() | ![]() |
نرخ واکنش اولیه واکنش کاهش NO، به عنوان تابعی از دما. نسبت NH 3 :NO از 1 تا 2 متغیر است. | پارامتر انتخاب به عنوان تابعی از دما. سرعت واکنش برای کاهش NO بیش از اکسید کننده NH 3 هم با دما و هم با افزایش نسبت NH 3 به NO کاهش می یابد. |
همانطور که در دو شکل بالا می بینید، شرایط کاری ایده آل از استفاده از دماهای متوسط پشتیبانی می کند، جایی که گزینش پذیری بیشتر است و نسبت های نسبتاً کم دو ماده شیمیایی ما. بنابراین کمترین مقدار آمونیاکی که برای کاهش NO در گاز خروجی نیاز داریم چقدر است؟
برای فهمیدن این موضوع، به یک مدل راکتور ساده نیاز داریم که غلظت واکنشدهنده و دمای سیستم را تغییر دهد. شکل سمت چپ نشان می دهد که این نسبت باید بالاتر از 1.2 باشد، اما می تواند کمتر از 1.4 باشد. یک مدل راکتور جریان پلاگین غیر گرمایی در اینجا به خوبی به هدف ما عمل می کند. اگر گاز خروجی در مثال ما حاوی 41.1 میلی مول بر متر مکعب NO در دمای 523 کلوین باشد و با سرعت 0.3 متر بر ثانیه از راکتور یکپارچه عبور کند، مدل نسبت NH 3 :NO حدود 1.3 را پیشنهاد می کند. – مقداری که گزینش پذیری را بسیار بالا نگه می دارد. هر چیزی کمتر از 1.3 ممکن است منجر به کمبود آمونیاک در سیستم ما شود. در 1.3، آمونیاک خروجی از سیستم نیز به سختی قابل توجه است.
![]() | ![]() |
نرخ جریان مولی NH 3 به عنوان تابعی از حجم کانال. | پارامتر انتخاب به عنوان تابعی از حجم کانال. نسبت NH 3 :NO از 1.3 تا 1.5 متغیر است. |
نتیجه گیری و مراحل بعدی
همانطور که در اینجا می بینید، دوز ایده آل آمونیاک تا حد زیادی تحت تاثیر دما خواهد بود. هر کسی که قبلا یک راکتور طراحی کرده باشد می داند که توزیع دما از کانالی به کانال دیگر متفاوت است. بنابراین، گام بعدی ما ایجاد یک مدل سه بعدی کامل از راکتور یکپارچه ما خواهد بود. گوش به زنگ باشید!
سایر پست های این مجموعه
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید