 |
سیستم راکتور مخزن همزن ایده آل
معرفی
در صنایع شیمیایی و بیوشیمیایی، به عنوان مثال در فرآیندهای تخمیر، راکتورهایی که شرایط به خوبی مخلوط و کنترل سطح مایع دارند، رایج هستند.
این مثال نشان می‌دهد که چگونه از رابط مهندسی واکنش برای مدل‌سازی یک سیستم ایده‌آل 0D از راکتورهای مخزن سری، با جریان‌های ورودی و خروجی خوراک کنترل‌شده استفاده کنیم. تغییر حجم در هر راکتور نظارت و کنترل می شود.
تعریف مدل
این مدل واکنش غیرقابل برگشت مرتبه اول فاز مایع A → B را حل می کند که در آن
(1)
در رابطه 1 ، r سرعت واکنش (واحد SI: mol/(m3 · s))، k ثابت سرعت (واحد SI: 1/s)، و c A غلظت A است.
واکنش در سیستمی از دو راکتور ایده آل به صورت سری انجام می شود. مخزن راکتور اول دارای ظرفیت حجمی V مخزن 1 = 1 متر مکعب و مخزن دوم با حجم 2 = 1.5 متر مکعب در ابتدا است.
در ابتدا راکتورها فقط با حلال شارژ می شوند. A با حلال به مخزن اول با سرعت جریان حجمی vf1 = 1 m 3 /min تغذیه می شود. دبی حجمی در خروجی مخزن اول بر روی v out1 = 0.9 m 3 /min تنظیم شده است. کل این جریان به مخزن دوم در سیستم تغذیه می شود، v f2 = v out1 . مخزن دوم همچنین دارای منبع تازه ای از A است که حلال با سرعت vf2 = 0.5 m3 /min وارد می شود. به روشی مشابه برای راکتور اول، جریان خروجی نیز روی v out2 = 1 m 3 تنظیم شده است. / دقیقه شکل 1 سیستم راکتور را با جزئیات نشان می دهد.
شکل 1: سیستم راکتور.
موازنه جرم برای گونه i در هر راکتور در معادله 2 نشان داده شده است :
(2)
V r حجم راکتور را نشان می دهد (واحد SI: m 3 )، R i بیان نرخ گونه است (واحد SI: mol/(m3 · s)). زیرنویس های f و out به ترتیب ورودی و خروجی خوراک را نشان می دهند. j و k به ترتیب تعداد جریان های ورودی و خروجی خوراک هستند.
حجم به نرخ تولید حجمی vp و دبی حجمی ورودی و خروجی تنظیم شده همانطور که در رابطه 3 نشان داده شده است بستگی دارد :
(3)
این مدل دارای دو شرط توقف است: اگر هر یک از حجم های راکتور 1٪ یا کمتر از حجم اولیه باشد، محاسبات متوقف می شود.
نتایج و بحث
در شکل 2 و شکل 3 ، غلظت گونه ها در دو مخزن نشان داده شده است.
شکل 2: غلظت A و B در مخزن 1 و مخزن 2.
تغییرات حجم مخزن در شکل 3 نشان داده شده است . با قطر مشخصی از راکتور، سطح مایع را می توان از این حجم محاسبه کرد. با توجه به جریان ورودی و خروجی، این سیستم به میزان قابل توجهی مخازن را پر می کند.
شکل 3: حجم مخزن.
نتایج فقط برخی از جنبه های سیستم را نشان می دهد که می توان با رابط مهندسی واکنش بررسی کرد. این برنامه همچنین می تواند به عنوان نقطه شروع برای مطالعه، به عنوان مثال، راه اندازی و شرایط فرآیند حالت پایدار مورد استفاده قرار گیرد.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/Reactors_Ideal_Tank/Tank_flow_system
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 جهانی را با وارد کردن تعاریف آنها از یک فایل متنی داده 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 tank_flow_system_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
با اولین راکتور شروع کنید. نوع راکتور جرم ثابت/ژنریک CSTR را برای مدل‌سازی اولین راکتور 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 Reactor را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع راکتور ، CSTR، جرم ثابت /عمومی را انتخاب کنید . |
4 | کلیک کنید تا قسمت Mixture Properties گسترش یابد . از لیست فاز ، مایع را انتخاب 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 ، A=>B را تایپ کنید . |
4 | روی Apply کلیک کنید . |
5 | قسمت Rate Constants را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، kf_reaction را تایپ کنید . |
گونه: A
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: A کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن M ، Mn_A را تایپ کنید . |
گونه: B
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: B کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن M ، Mn_B را تایپ کنید . |
یک حلال (آب) به مخزن اول اضافه کنید.
گونه 1
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Species کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، قسمت نام را بیابید . |
3 | در قسمت متن، S را تایپ کنید . |
4 | قسمت Type را پیدا کنید . از لیست، حلال را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Chemical Formula را پیدا کنید . در قسمت متن M ، Mn_S را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن ρ ، density_S را تایپ کنید . |
Generic در بخش Mass Balance جایگزین شرط جرم ثابت می شود. برای تنظیم مقدار ثابت نرخ خروجی حجمی، این مورد را انتخاب کنید .
7 | در پنجره Model Builder ، روی Reaction Engineering (re) کلیک کنید . |
8 | در پنجره تنظیمات برای مهندسی واکنش ، بخش Reactor را پیدا کنید . |
9 | زیربخش توازن جرم را پیدا کنید . از لیست نرخ حجمی ، Generic را انتخاب کنید . |
10 | روی Reset to Default کلیک کنید . |
11 | در قسمت متن v ، v_outlet1 را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت پارامترهای عمومی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی V r0 ، Vr_init_tank1 را تایپ کنید . |
ابتدا فقط حلال را در مخزن اول قرار دهید.
4 | قسمت مقادیر اولیه گونه های حجمی را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
اس | cinit_S |
ورودی خوراک 1
یک جریان ورودی خوراک به مخزن اول اضافه کنید.
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Feed Inlet کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به ورودی خوراک ، قسمت ویژگی های ورودی خوراک را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن v f ، v_inlet را تایپ کنید . |
4 | قسمت Feed Inlet Concentration را پیدا کنید . در جدول غلظت ورودی خوراک ، تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
آ | cinlet_A1 |
اس | cinlet_S |
5 | در پنجره Model Builder ، روی Reaction Engineering (re) کلیک راست کرده و Copy را انتخاب کنید . |
مهندسی واکنش 2 (RE2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Component 1 (comp1) کلیک راست کرده و Paste Reaction Engineering را انتخاب کنید . |
2 | در کادر محاوره‌ای Messages from Paste ، روی OK کلیک کنید . |
کپی کردن راکتور اول و تغییر پارامترهای لازم که راکتور اول را از راکتور دوم متمایز می کند.
3 | در پنجره Model Builder ، روی Reaction Engineering 2 (re2) کلیک کنید . |
4 | در پنجره تنظیمات برای مهندسی واکنش ، بخش Reactor را پیدا کنید . |
5 | زیربخش توازن جرم را پیدا کنید . در قسمت متن v ، v_outlet2 را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Reaction Engineering 2 (re2) را گسترش دهید ، سپس روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت پارامترهای عمومی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی V r0 ، Vr_init_tank2 را تایپ کنید . |
جریان ورودی خوراک به راکتور دوم برابر با کل جریان خروجی از راکتور اول است.
ورودی خوراک 1 – از مخزن 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Feed Inlet 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ورودی خوراک ، ورودی خوراک 1 – را از مخزن 1 در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Feed Inlet Properties را پیدا کنید . در قسمت متن v f ، v_outlet1 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Feed Inlet Concentration را پیدا کنید . در جدول غلظت ورودی خوراک ، تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
آ | re.c_A |
ب | re.c_B |
اس | re.c_S |
ورودی خوراک 2 – تازه
1 | در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Feed Inlet کلیک کنید . |
یک جریان ورودی خوراک دوم را به راکتور دوم اضافه کنید تا خوراک تازه را مدل کنید.
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به Feed Inlet ، Feed Inlet 2 – Fresh را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Feed Inlet Properties را پیدا کنید . در قسمت متن v f ، v_fresh2 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Feed Inlet Concentration را پیدا کنید . در جدول غلظت ورودی خوراک ، تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
آ | cfresh2_A |
اس | cinlet_S |
مطالعه 1
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 | از لیست واحد زمان ، min را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن زمان خروجی ، range(0,0.1,120) را تایپ کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
اگر هر یک از دو حجم راکتور خالی است، محاسبات را متوقف کنید.
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید . |
3 | روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Time-Dependent Solver 1 کلیک راست کرده و Stop Condition را انتخاب کنید . |
4 | در پنجره تنظیمات برای وضعیت توقف ، قسمت عبارات توقف را پیدا کنید . |
5 |  روی افزودن کلیک کنید . |
6 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
بیان را متوقف کنید | توقف کنید اگر | فعال | شرح |
comp1.re.Vr<=Vr_init_tank1*0.01 | درست (>=1) | √ | توقف بیان 1 |
7 |  روی افزودن کلیک کنید . |
8 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
بیان را متوقف کنید | توقف کنید اگر | فعال | شرح |
comp1.re2.Vr<=Vr_init_tank2*0.01 | درست (>=1) | √ | توقف بیان 2 |
9 | قسمت Output at Stop را پیدا کنید . از لیست افزودن راه حل ، مراحل قبل و بعد از توقف را انتخاب کنید . |
10 | کادر بررسی Add warning را پاک کنید . |
11 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
غلظت در تانک ها
این مراحل را برای ایجاد شکل 2 دنبال کنید .
1 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Concentrations in Tanks را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
2 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست Layout ، ناحیه محور گراف بیرونی را انتخاب کنید . |
تانک 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Concentrations in Tanks را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، Tank 1 را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
A در مخزن 1 |
B در مخزن 1 |
تانک 2
1 | روی Tank 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، Tank 2 را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering 2>re2.c_A – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering 2>re2.c_B – Concentration – mol/m³ را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
A در مخزن 2 |
B در مخزن 2 |
6 | در نوار ابزار Concentrations in Tanks ، روی  Plot کلیک کنید . |
این مراحل را برای ایجاد شکل 3 دنبال کنید .
حجم در مخازن
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Concentration (re2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Volume in Tanks را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، سمت چپ بالا را انتخاب کنید . |
تانک 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Volume in Tanks را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، Tank 1 را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering>re.Vr – Reactor volume – m³ را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Legends را پیدا کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
6 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
تانک 1 |
تانک 2
1 | روی Tank 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، Tank 2 را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Reaction Engineering 2>re2.Vr – Reactor volume – m³ را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
تانک 2 |
5 | در نوار ابزار Volume in Tanks ، روی  Plot کلیک کنید . |
