 |
راکتور دسته ای HI
معرفی
راکتور دسته ای یک سیستم پرکاربرد برای تولید مواد شیمیایی در صنایع مختلف شیمیایی است. این نوع راکتور همراه با راکتور مخزن همزن پیوسته (CSTR) و راکتور جریان پلاگین می تواند ایده آل باشد. در مورد راکتور دسته ای، شرایط ایده آل برابر با شرایط کاملاً مخلوط است، به این معنی که دما و ترکیبات در سرتاسر راکتور یکسان است و بنابراین می توان مشکل را در 0D مدل کرد.
در این مثال، رفتارهای همدما و غیر گرمایی واکنش ید هیدروژن گازی (HI) در یک راکتور ناپیوسته کاملاً مخلوط مدل‌سازی شده‌اند. این مدل از ویژگی راکتور دسته ای با حجم ثابت در رابط مهندسی واکنش ماژول مهندسی واکنش شیمیایی استفاده می کند.
توضیحات مدل
یک مثال کلاسیک در مورد سینتیک واکنش، یعنی واکنش ید هیدروژن ( مراجعه 1 )، مدل شده است. واکنش دو مولکولی برگشت پذیر در اینجا فرض می شود که سینتیک را به درستی توصیف می کند:
این مدل آزمایش‌هایی را شبیه‌سازی می‌کند که در آن یک مخلوط اولیه هم مولی از گاز واکنش می‌دهد. واکنش در یک راکتور دسته ای کاملاً مخلوط با حجم ثابت انجام می شود. معادله تعادل برای هر گونه، i ، که در رابط مهندسی واکنش حل می شود به صورت زیر بیان می شود:
که در آن c i غلظت (واحد SI: mol/m 3 ) و R i مجموع مشارکت در سرعت واکنش از هر واکنش شرکت‌کننده (واحد SI: mol/(m3 s )) است که نرخ تولید گونه‌ها را نشان می‌دهد. من _ در این مورد ما فقط یک واکنش داریم. هر دو شرایط همدما و غیر گرما مدل شده اند. تعادل انرژی برای راکتور دسته ای به طور پیش فرض در مورد دوم تعریف می شود، با توجه به:
که در آن V r حجم راکتور را نشان می دهد (واحد SI: m 3 )، c i غلظت گونه است (واحد SI: mol/m 3 )، C p ، i ظرفیت گرمایی مولی گونه است (واحد SI: J/(mol· K))، T دما (واحد SI: K) و p فشار (واحد SI: Pa) است. در سمت راست، Q گرمای ناشی از واکنش شیمیایی است (واحد SI: W)، و Q ext نشان دهنده گرمای اضافه شده به سیستم است (واحد SI: W). گرمای واکنش از حجم راکتور، آنتالپی مولی، H i محاسبه می شود(J/mol)، و سرعت واکنش، همانطور که در معادله زیر نشان داده شده است:
نتایج برای مقایسه شرایط و تعیین ثابت تعادل واکنش در 700 K استفاده می شود.
نتایج و بحث
غلظت واکنش دهنده ها و محصولات برای هر دو شرایط واکنش در شکل 1 نشان داده شده است . غلظت های واکنش دهنده همپوشانی دارند. نمودار نشان می دهد که راکتور پس از تقریباً 36000 ثانیه (10 ساعت) برای حالت همدما به حالت پایدار نزدیک شده است. در حالت غیر گرمایی، حالت پایدار بسیار سریعتر، پس از حدود 2000 ثانیه به دست می آید.
شکل 1: غلظت واکنش دهنده و محصول به عنوان تابعی از زمان برای شرایط همدما و غیر گرما.
ضریب تعادل، KQ ، با رابطه زیر پایش می شود:
که در حالت پایدار باید ثابت تعادل را ایجاد کند. شکل 2 نشان می دهد که بیان تعادل به طور مجانبی به مقدار تقریباً 54.9 در شرایط همدما می رسد، که همچنین رابطه بین kf و kr در مدل است.
شکل 2: بیان تعادل در شرایط همدما.
در شکل 3 ، دما با رسیدن به حالت پایدار، 109 کلوین به 809 کلوین افزایش می یابد.
شکل 3: دمای راکتور به عنوان تابعی از زمان.
شکل 4 گرمای واکنش راکتور همدما و آدیاباتیک را نشان می دهد. به مقیاس لگاریتمی روی محور x توجه کنید، و بنابراین، سرعت واکنش آدیاباتیک در مقایسه با حالت همدما چقدر بیشتر است.
شکل 4: گرمای واکنش برای راکتور همدما و آدیاباتیک.
ارجاع
1. JH Sullivan، “مکانیسم “دومولکولی” هیدروژن – واکنش ید، J. Chem. فیزیک ، جلد 46، ص. 73، 1967.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/ترمودینامیک/رآکتور_بچ_شیمی
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  0D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Chemical Species Transport>Reaction Engineering (re) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
مجموعه ای از پارامترهای مدل را با وارد کردن تعاریف آنها از یک فایل متنی داده ارائه شده با Application Library اضافه کنید .
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل hi_batch_reactor_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
مهندسی واکنش (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Reaction Engineering (re) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مهندسی واکنش ، بخش Reactor را پیدا کنید . |
3 | زیربخش توازن جرم را پیدا کنید . در قسمت متن V r ، V_reactor را تایپ کنید . |
4 | بخش تعادل انرژی را پیدا کنید . در قسمت متن T ، Tinit را تایپ کنید . |
واکنش 1
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن فرمول ، H2+I2<=>2HI را تایپ کنید . |
4 | قسمت Rate Constants را پیدا کنید . تیک Use Arrhenius expressions را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن A f ، Af_reaction را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن E f ، Ef_reaction را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن A r ، Ar_reaction را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن E r ، Er_reaction را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه گونه های حجمی را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
H2 | cinit_H2 |
سلام | cinit_HI |
I2 | cinit_I2 |
تعاریف
متغیرهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید . |
چند متغیری که نیاز به بررسی دارند اضافه کنید. توجه داشته باشید که از آنجایی که فرض می شود این یک راه حل ایده آل است، عبارت ثابت تعادل شامل متغیرهای غلظت به جای فعالیت ها است.
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل hi_batch_reactor_variables.txt دوبار کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار مهندسی واکنش ، روی  ترمودینامیک کلیک کنید و سیستم ترمودینامیک را انتخاب کنید . |
SYSTEM را انتخاب کنید
1 | به پنجره Select System بروید . |
2 | در نوار ابزار پنجره روی Next کلیک کنید . |
گونه ها را انتخاب کنید
1 | به پنجره Select Species بروید . |
2 | در لیست گونه ها ، یدید هیدروژن (10034-85-2، HI) را انتخاب کنید . |
3 |  روی افزودن انتخاب شده کلیک کنید . |
4 | در لیست گونه ها ، هیدروژن (1333-74-0، H2) را انتخاب کنید . |
5 |  روی افزودن انتخاب شده کلیک کنید . |
6 | در لیست گونه ها ، ید (7553-56-2، I2) را انتخاب کنید . |
7 |  روی افزودن انتخاب شده کلیک کنید . |
8 | در نوار ابزار پنجره روی Next کلیک کنید . |
مدل ترمودینامیکی را انتخاب کنید
1 | به پنجره Select Thermodynamic Model بروید . |
2 | روی Finish در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مهندسی واکنش (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Reaction Engineering (re) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Reaction Engineering ، روی قسمت Mixture Properties کلیک کنید . |
3 | تیک ترمودینامیک را انتخاب کنید . |
4 | بخش تطبیق گونه ها را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | از ترمودینامیک |
H2 | H2 |
سلام | سلام |
I2 | I2 |
5 | بخش تعادل انرژی را پیدا کنید . از لیست، Exclude را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
ابتدا شرایط همدما را حل کنید.
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی زمان خروجی ، 0.5e5 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
مطالعه 1
راه حل 1 (sol1)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations را گسترش دهید . |
2 | روی Solution 1 (sol1) کلیک راست کرده و Solution>Copy را انتخاب کنید . |
همدما
1 | در پنجره Model Builder ، روی Solution 1 – Copy 1 (sol2) کلیک راست کرده و Rename را انتخاب کنید . |
2 | در کادر محاوره ای Rename Solution ، Isothermal را در قسمت متن برچسب جدید تایپ کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
تنظیمات غیر گرمایی را در رابط مهندسی واکنش انتخاب کنید .
مهندسی واکنش (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Reaction Engineering (re) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مهندسی واکنش ، بخش تعادل انرژی را پیدا کنید . |
3 | از لیست، Include را انتخاب کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Reaction Engineering (re) روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت پارامترهای عمومی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T 0 ، Tinit را تایپ کنید . |
برای شرایط غیر گرمایی حل کنید.
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .راه حل 1 (sol1)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Study 1>Solver Configurations روی Solution 1 (sol1) کلیک راست کرده و گزینه Solution>Copy را انتخاب کنید .
غیر گرمایی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Solution 1 – Copy 1 (sol3) کلیک راست کرده و Rename را انتخاب کنید . |
2 | در کادر محاوره ای Rename Solution ، Nonisothermal را در قسمت متن برچسب جدید تایپ کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
نتایج
تمرکز (دوباره)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Concentration (re) را گسترش دهید ، سپس روی Concentration (re) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، قسمت Legend را پیدا کنید . |
3 | از لیست موقعیت ، سمت راست میانی را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Study 1/Isothermal (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
6 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
همدما c<sub>H<sub>2</sub></sub> |
همدما c<sub>I<sub>2</sub></sub> |
همدما c<sub>HI</sub> |
7 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
جهانی 2
1 | روی Results>Concentration (re)>Global 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Study 1/Nonisothermal (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
غیر گرمایی c<sub>H<sub>2</sub></sub> |
غیر گرمایی c<sub>I<sub>2</sub></sub> |
c<sub>HI</sub> غیر گرمایی |
5 | در نوار ابزار Concentration (re) روی  Plot کلیک کنید . |
ثابت تعادل
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Equilibrium regular را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Study 1/Isothermal (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
5 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Time (s) را تایپ کنید . |
6 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، Equilibrium stabiliz (-) را تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی ثابت تعادل کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>K_equi – Equilibrium ثابت را انتخاب کنید . |
3 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار ثابت تعادل ، روی  Plot کلیک کنید . |
تغییر دما
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، تغییر دما را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Study 1/Nonisothermal (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
5 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Time (s) را تایپ کنید . |
6 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Temperature change (K) را تایپ کنید . |
7 |  روی دکمه x-Axis Log Scale در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
جهانی 1
1 | روی تغییر دما کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>T_change – Temperature change – K را انتخاب کنید . |
3 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار تغییر دما ، روی  Plot کلیک کنید . |
گرمای واکنش
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، گرمای واکنش را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، سمت چپ بالا را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | روی Heat of Reaction کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 |  روی پاک کردن جدول کلیک کنید . |
4 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering>re.Qheat – Heat source of reactions – W/m³ را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
6 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
راکتور ایزوترمال |
8 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Study 1/Isothermal (sol2) را انتخاب کنید . |
9 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
جهانی 2
1 | روی Global 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش Legends را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
راکتور غیر گرمایی |
4 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Study 1/Nonisothermal (sol3) را انتخاب کنید . |
گرمای واکنش
1 | در پنجره Model Builder ، روی Heat of Reaction کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، بخش Axis را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی مقیاس گزارش محور x را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Heat of Reaction ، روی  Plot کلیک کنید . |
