 |
پلیمریزاسیون نیمه دسته ای
معرفی
همانطور که مونومر واکنش دهنده به زنجیره های پلیمری تبدیل می شود، چگالی مخلوط واکنش دهنده اغلب به طور قابل توجهی تغییر می کند. این مثال به چگونگی تأثیر این اثر بر تولید کل پلیمر در یک فرآیند می پردازد. پلیمریزاسیون فاز مایع در یک راکتور نیمه دسته ای انجام می شود که در آن دو شرایط عملیاتی مقایسه می شوند. در سناریوی اول، پس از رسیدن به حداکثر ظرفیت حجمی، تغذیه مونومر به راکتور خاموش می شود. در سناریوی دوم، تغذیه مونومر مجاز است به طور مداوم تغییر حجم ناشی از واکنش شیمیایی را جبران کند.
این مدل استفاده از نوع راکتور Semibatch را نشان می دهد که در رابط مهندسی واکنش در ماژول مهندسی واکنش شیمیایی از پیش تعریف شده است. همچنین نحوه تنظیم رویدادهای زمان بندی شده را نشان می دهد، در این مورد برای کنترل خوراک واکنش دهنده به راکتور. این مثال نتایجی را که در Ref. 1 .
تعریف مدل
پلیمریزاسیون فاز مایع را می توان به عنوان یک واکنش برگشت ناپذیر مرتبه اول مدل کرد:
در معادلات فوق، M نشان دهنده مونومر، P پلیمر، r سرعت واکنش (واحد SI: mol/(m3 · s))، k ثابت سرعت (واحد SI: 1/s) و cM است . غلظت مونومر است. این فرآیند در حضور آب انجام می شود.
پلیمریزاسیون در یک راکتور نیمه دسته ای با ظرفیت حجمی 20 متر مکعب انجام می شود . در ابتدا راکتور با 10 متر مکعب آب شارژ می شود. مونومر خالص با سرعت جریان حجمی v f = 1 m 3 /min وارد راکتور می شود .
شکل 1 یک نمایش شماتیک از راکتور نیمه دسته ای را نشان می دهد.
شکل 1: راکتور Semibatch یک نوع راکتور از پیش تعریف شده در رابط مهندسی واکنش است.
تراز جرم زیر رآکتور نیمه دسته ای را توصیف می کند:
(1)
در معادله 1 ، c i غلظت مولی گونه است (واحد SI: mol/m 3 )، cf ، i غلظت گونه (واحد SI: mol/m3 ) جریان خوراک مرتبط v f , i (واحد SI: m 3 /s)، و R i بیان نرخ گونه را نشان می دهد (واحد SI: mol/(m3 · s)). V r حجم راکتور را نشان می دهد (واحد SI: m 3 ) و تابعی از زمان است. برای مخلوط های ایده آل:
که در آن v p نرخ تولید حجمی ناشی از واکنش شیمیایی است:
(2)
در رابطه 2 ، ν ij ضریب استوکیومتری گونه i در واکنش j است ، M i نشان دهنده وزن مولکولی گونه (واحد SI: kg/mol)، ρ i چگالی گونه (واحد SI: kg/m3) است ، و rj سرعت واکنش (واحد SI: mol/(m3 · s )) واکنش j است .
در مثال حاضر، چگالی مونومر 800 کیلوگرم بر متر مکعب ، برای پلیمر 1100 کیلوگرم بر متر مکعب و برای آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب است. از این رو، با تشکیل پلیمر، حجم مخلوط واکنش دهنده کاهش می یابد ( vp منفی است). این مدل دو شرایط عملیاتی را بررسی می کند:
• | شرایط عملیاتی 1 – تغذیه مونومر (1 متر مکعب در دقیقه) هنگامی که حجم راکتور به 20 متر مکعب برسد ، که پس از 11.2 دقیقه رخ می دهد، خاموش می شود . سپس به واکنش اجازه داده می شود تا کامل شود. |
• | شرایط عملیاتی 2 – تغذیه مونومر طوری تنظیم می شود که راکتور را در زمانی که واکنش به پایان می رسد پر نگه دارد. این کار با تنظیم خوراک حجمی برابر با – v p برای t > 11.2 دقیقه انجام می شود. |
نتایج
شکل 2 سرعت جریان حجمی جریان تغذیه را نشان می دهد، v f .
شکل 2: نرخ جریان حجمی جریان تغذیه (m3 / s) به عنوان تابعی از زمان (دقیقه) برای شرایط عملیاتی 1 (خط توپر) و 2 (خط نقطه چین).
شکل 3 حجم راکتور را به عنوان تابعی از زمان اجرا نشان می دهد که دو شرایط عملیاتی ذکر شده در بالا را نشان می دهد.
شکل 3: حجم راکتور (m3 ) به عنوان تابعی از زمان (دقیقه) برای شرایط عملیاتی 1 (خط توپر) و 2 (خط نقطه چین).
شکل 4 جرم کل مونومر را در راکتور، m M (kg) نشان می دهد که با عبارت زیر ارزیابی می شود:
شکل 4: جرم کل مونومر در حجم راکتور (کیلوگرم) به عنوان تابعی از زمان (دقیقه) برای شرایط عملیاتی 1 (خط توپر) و 2 (خط نقطه چین).
مقایسه مقدار پلیمر تولید شده در نتیجه شرایط عملیاتی مختلف ساده است. برای هر دو مورد واکنش تقریباً پس از 50 دقیقه به پایان می رسد. در این زمان، حجم کل مخلوط واکنش دهنده 18.2 متر مکعب برای شرایط عملیاتی 1 و 20 متر مکعب برای شرایط عملیاتی 2 است.
افزایش نسبی در تولید پلیمر با استفاده از شرایط عملیاتی 2 در مقایسه با شرایط 1 به شرح زیر است:
ارجاع
1. JB Rawlings and JG Ekerdt, Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals , Nob Hill Publishing, مثال 4.3, صفحات 139-144, 2004.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/راکتورهای_مخزن_ایده آل/پلیمریزاسیون_نیمه دسته ای
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 ارائه شده با کتابخانه مدل 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 semibatch_polymerization_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
مرحله 1 (مرحله 1)
یک تابع مرحله ای اضافه کنید که نرخ خوراک حجمی را در طول عملیات تنظیم می کند.
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Functions کلیک کنید و Global>Step را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مرحله ، قسمت پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Location ، t_cond را تایپ 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 ، Semibatch 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 Formula text M=>P را تایپ کنید . |
4 | قسمت Rate Constants را پیدا کنید . در قسمت متن k f ، kf_reaction را تایپ کنید . |
گونه: M
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: M کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن M ، Mm_M را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ρ ، density_M را تایپ کنید . |
گونه: P
1 | در پنجره Model Builder ، روی Species: P کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن M ، Mm_P را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ρ ، density_P را تایپ کنید . |
واکنش در آب انجام می شود.
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، H2O را تایپ کنید . |
4 | قسمت Chemical Formula را پیدا کنید . در قسمت متن M ، Mm_H2O را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ρ ، density_H2O را تایپ کنید . |
تعاریف
دو شرط پر شدن را به عنوان متغیرهای وابسته به تابع گام و بیان جرم مونومر اضافه کنید. این از یک فایل متنی داده ارائه شده با کتابخانه مدل بازیابی شده است .
متغیرهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید . |
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 semibatch_polymerization_variables.txt دوبار کلیک کنید . |
مهندسی واکنش (دوباره)
ورودی خوراک 1
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 ، vfs 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) |
H2O | cinlet_H2O |
م | cinlet_M |
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 را تایپ کنید . |
4 | قسمت مقادیر اولیه گونه های حجمی را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
گونه ها | غلظت (MOL/M^3) |
H2O | cinit_H2O |
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 | در قسمت متن زمان خروجی ، range(0,0.1,3000) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Concentration (re) را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش x-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت Expression text، t را تایپ کنید . |
5 | از لیست واحد ، min را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Concentration (re) روی  Plot کلیک کنید . |
مطالعه 1
از ویژگی Sweep پارامتریک برای بررسی تفاوت زمانی که پر جبران کننده روشن است استفاده کنید .
جاروی پارامتریک
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر Sweep کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
fill (پارامتر کنترل برای پر کردن) | 0 1 |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
نرخ خوراک حجمی
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، نرخ خوراک حجمی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره نرخ خوراک حجمی را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک 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)>Reaction Engineering>re.sumvf – مجموع جریان های حجمی – m³/s را انتخاب کنید . |
3 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، جهانی: نرخ فید حجمی (m<sup>3</sup>/s) را تایپ کنید . |
5 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از فهرست داده های منبع محور ، زمان را انتخاب کنید . |
6 | از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت Expression text، t را تایپ کنید . |
8 | از لیست واحد ، min را انتخاب کنید . |
9 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، چرخه را انتخاب کنید . |
10 | از لیست رنگ ، آبی را انتخاب کنید . |
11 | از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
12 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
13 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
شرایط عملیاتی 1 |
شرایط عملیاتی 2 |
14 | در نوار ابزار میزان خوراک حجمی ، روی  Plot کلیک کنید . |
حجم راکتور
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 ، Reactor volume را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/ راه حل های پارامتریک 1 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، پایین سمت راست را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | روی Reactor volume 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)>Reaction Engineering>re.Vr – Reactor volume – m³ را انتخاب کنید . |
3 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت Expression text، t را تایپ کنید . |
5 | از لیست واحد ، min را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، چرخه را انتخاب کنید . |
7 | از لیست رنگ ، آبی را انتخاب کنید . |
8 | از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
9 | قسمت Legends را پیدا کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
10 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
شرایط عملیاتی 1 |
شرایط عملیاتی 2 |
11 | در نوار ابزار حجم Reactor ، روی  Plot کلیک کنید . |
جرم مونومر
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 ، جرم مونومر را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه 1/ راه حل های پارامتریک 1 (sol2) را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | روی Monomer mass 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>m_mon – Monomer mass – kg را انتخاب کنید . |
3 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت Expression text، t را تایپ کنید . |
5 | از لیست واحد ، min را انتخاب کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، چرخه را انتخاب کنید . |
7 | از لیست رنگ ، آبی را انتخاب کنید . |
8 | از لیست Width ، 2 را انتخاب کنید . |
9 | قسمت Legends را پیدا کنید . از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
10 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
شرایط عملیاتی 1 |
شرایط عملیاتی 2 |
11 | در نوار ابزار Monomer mass ، روی  Plot کلیک کنید . |
