راکتورهای چند مقیاسی: پاکسازی جریان ها

احتمالا رایج ترین راکتور در صنایع شیمیایی، راکتور بستر بسته بندی شده است . این راکتور در سنتز شیمیایی و برای تصفیه پساب و احتراق کاتالیزوری استفاده می شود. اغلب اوقات، کاتالیز ناهمگن نیاز به بسترهای بسته بندی شده دارد. یک طرح رایج، یک ستون استوانه ای است که با گلوله های کاتالیزور پر شده است. گلوله ها را می توان در ساختارهای پشتیبان مانند لوله ها یا کانال ها قرار داد یا در یک محفظه در ستون بسته بندی کرد. به دومی بسته بندی دامپینگ می گویند .

رسانه متخلخل

نکته کلیدی در اینجا این است که گلوله ها یا مهره ها متخلخل هستند. به عبارت دیگر کانال های بسیار کوچکی در داخل دارند. گاز یا مخلوط مایع واکنش دهنده از پایین ستون پمپ می شود و با عبور از اطراف گلوله های ریخته شده، مقداری از واکنش دهنده به داخل منافذ پخش می شود. واکنش نشان می دهد؛ و سپس پلت را دوباره به عنوان محصول باقی می گذارد. این مخلوط محصول سپس به بالای ستون منتقل می شود و معمولاً برای خالص سازی در مراحل بعدی فرآیند خارج می شود.

چالش

هنگام ایجاد یک مدل محاسباتی از یک راکتور بستر پرشده که شکل هندسی را در نظر می‌گیرد، با یک چالش بزرگ مواجه می‌شوید: یک راکتور واقعی می‌تواند شامل صدها هزار گلوله در اندازه‌های مختلف باشد و هر گلوله حاوی منافذ میکروسکوپی بی‌شماری است. حل همه این جزئیات با یک شبکه المان محدود به نقاط محاسباتی بسیار زیادی ( درجات آزادی ) نیاز دارد . در عمل، رسیدگی به چنین مدل دقیقی غیرممکن است.

راه حل: بعد چهارم اضافه شده در نسخه 5.0

با COMSOL Multiphysics نسخه 5.0، ما ویژگی بستر پلت واکنشی را معرفی می کنیم . این یک بعد اضافی به ابعاد فضایی سه بعدی موجود می‌دهد، که جریان واکنش را در داخل هر گلوله کاتالیزوری متخلخل مدل می‌کند. به عبارت دیگر، ما توصیف سه بعدی دینامیک سیالات و حمل و نقل مواد را به همراه هر واکنشی در مقیاس ماکرو به شرح 1 بعدی انتقال مواد و واکنش شیمیایی در گلوله ها پیوند می دهیم. این ویژگی همچنین به کاربر اجازه می دهد تا توزیع را در اندازه گلوله حساب کند.

بخوانید طراحی خودروهای الکتریکی با فناوری خنک کننده مغناطیسی

مدلی که تجزیه و تحلیل راکتورهای چند مقیاسی را به تصویر می‌کشد.
بعد اضافی در بستر گلوله واکنشی، ریزمقیاس – آنچه در داخل هر گلوله ریخته شده اتفاق می افتد – در سراسر ستون سه بعدی شبیه سازی می کند. سیال بین گلوله ها در سه بعد فضای معمولی، یعنی مقیاس ماکرو شبیه سازی شده است. رنگ در نمودار پلت سه بعدی توزیع در غلظت گونه های شیمیایی را منعکس می کند.

مدل رآکتور بستر بسته بندی شده چند بعدی یک واکنش شیمیایی ساده غیر قابل برگشت را نشان می دهدکه در گلوله ها اتفاق می افتد. توزیع غلظت واکنش دهنده و محصول را می توان در هر موقعیتی در ستون، و همچنین غلظت ماکرو مقیاس در سیال عبوری از بستر و خارج از راکتور را ترسیم کرد.

نموداری که سطوح غلظت را در مدل راکتور بستر بسته بندی شده نشان می دهد.
غلظت واکنش دهنده A ( آبی ) و محصول B ( سبز ) در یک گلوله در وسط راکتور در موقعیت 1 متر بالاتر از ورودی. این نوع نمودار را می توان برای پلت در هر موقعیتی در راکتور تولید کرد. غلظت ها به سرعت در نزدیکی سطح ذره تغییر می کنند، r/rpe = 1.

غلظت واکنش دهنده در مدل
نمودار غلظت واکنش دهنده، C _A ، در مقیاس ماکرو.

خلاصه و مراحل بعدی

مدل‌سازی به این روش حل مسائل چند مقیاسی را بدون نیاز به ایجاد هندسه و مش‌بندی گلوله‌های منفرد ممکن می‌سازد، که عملاً غیرممکن است. استفاده از ابعاد متصل پتانسیل زیادی برای حل انواع دیگر مشکلات مانند انتقال حرارت در پوسته های بسیار نازک دارد. ما در یک پست وبلاگ آینده به این موضوع خواهیم پرداخت، پس با ما همراه باشید.