在COMSOL中分析管式反應(yīng)器

管式反應(yīng)器是化工行業(yè)中經(jīng)常使用的一種設(shè)備，用于幫助進(jìn)行連續(xù)大規(guī)模的生產(chǎn)。通過(guò)模擬管式反應(yīng)器的解離過(guò)程，可以對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確分析。在這篇文章中，我們通過(guò)對(duì)反應(yīng)器等溫和非等溫情況下的模擬研究的比較，展示了 COMSOL 化學(xué)反應(yīng)工程模塊的許多有用功能。您也可以在自己的仿真中使用這些功能。

管式反應(yīng)器：化學(xué)工業(yè)中的一種常見(jiàn)設(shè)備

如果你觀(guān)察過(guò)管式反應(yīng)器的內(nèi)部，就會(huì)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)物在高速流動(dòng)并不斷進(jìn)行反應(yīng)。這些反應(yīng)物在管道內(nèi)移動(dòng)的過(guò)程中被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。由于生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，這些設(shè)備通?？梢杂行У貛椭瘜W(xué)和石油工業(yè)進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)。

此外，管式反應(yīng)器還被用在其他領(lǐng)域應(yīng)用中，如發(fā)電廠(chǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的焚燒工藝中的廢氣處理。這種類(lèi)型的反應(yīng)器甚至可以用作藥物的提純，生產(chǎn)出價(jià)格更低的藥品。

為了設(shè)計(jì)出能有效地生產(chǎn)出盡可能多的產(chǎn)品的管式反應(yīng)器，我們可以選擇多物理場(chǎng)仿真進(jìn)行分析。本文，我們將使用 COMSOL Multiphysics 多物理場(chǎng)仿真軟件建立一個(gè)精確的反應(yīng)器模型來(lái)研究氣相解離過(guò)程。在下一節(jié)，我們將分享一個(gè)用化學(xué)反應(yīng)工程模塊建模的例子。示例中用來(lái)求解這個(gè)模型的許多關(guān)鍵技術(shù)都可以應(yīng)用在其他化學(xué)反應(yīng)工程模擬中。

模擬解離過(guò)程

我們從一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的模型開(kāi)始對(duì)管式反應(yīng)器進(jìn)行分析。由于反應(yīng)器的形狀規(guī)則，因此模型使用了一個(gè)映射或結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。模型中使用了層流 和濃物質(zhì)傳遞 接口，并設(shè)置了相關(guān)邊界條件。

使用這個(gè)模型我們能夠重點(diǎn)研究氣相解離過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，A 物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并形成產(chǎn)物 B。每 1 摩爾 A 反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生 2 摩爾 B，使混合氣體的體積發(fā)生膨脹。由于密度的變化，當(dāng)混合物在反應(yīng)器中移動(dòng)時(shí)，氣體的速度會(huì)增加，這種情況我們可以用可壓縮的納維-斯托克斯方程來(lái)模擬。

圖示顯示了管式反應(yīng)器中的解離過(guò)程。

在解離反應(yīng)中，混合物的成分發(fā)生了變化。一開(kāi)始在入口處是純 A，但在出口處變?yōu)?A 和 B 的混合物，成為一個(gè)多組分系統(tǒng)。當(dāng)處理像這樣一個(gè)濃的多組分混合物時(shí)，需要考慮到所有可能的相互作用。在這個(gè)案例中，我們使用了濃物質(zhì)傳遞 接口和 Maxwell-Stefan 或混合平均擴(kuò)散方程來(lái)描述所有這些成分之間的相互作用。

此外，根據(jù)理想氣體定律，密度的變化取決于壓力、溫度和成分。在濃物質(zhì)傳遞 接口中，關(guān)于密度的 “理想氣體 “選項(xiàng)將自動(dòng)考慮所有這些因素。層流 接口描述了考慮密度變化的流體的動(dòng)量平衡和連續(xù)性。

在模型中，B 的生產(chǎn)速度取決于成分和溫度。然而，如果假設(shè)氣體是等溫的，那么該速率將只隨成分變化。我們將通過(guò)比較等溫研究和非等溫研究（同時(shí)考慮成分和溫度）來(lái)看看這對(duì)結(jié)果有什么影響。

比較等溫和非等溫研究

管式反應(yīng)器的等溫研究求解了可壓縮的 Navier-Stokes 方程和 Maxwell-Stefan 對(duì)流和傳導(dǎo)方程的耦合模型。該模型會(huì)在非等溫情況下進(jìn)行擴(kuò)展，為此我們將增加流體傳熱 接口和能量平衡方程來(lái)模擬溫度變化的影響。

在等溫情況下溫度保持在 473K 不變，而在非等溫情況下溫度會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于后者，氣體在 293K（室溫）的溫度下進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)器壁則被加熱到 473K，所以在反應(yīng)過(guò)程中，溫度會(huì)逐漸升高。因此，這兩個(gè)模型之間的一個(gè)主要區(qū)別在于它們?nèi)绾翁幚頊囟取?/p>

這種溫度上的差異會(huì)影響到研究的其他方面。例如，我們仔細(xì)看一下速度的大小。當(dāng)對(duì)以上兩種情形進(jìn)行比較時(shí)，可以看到，由于反應(yīng)過(guò)程中混合氣體的體積擴(kuò)大，速度沿Z軸增加。然而，在非等溫情況下，速度略小。這是因?yàn)榉堑葴厍闆r下的溫度較低，因此反應(yīng)速率也較低。

我們還對(duì)兩項(xiàng)研究中物質(zhì) B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了比較。比較下面兩副圖可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于等溫模型，在管子表面附近的物質(zhì) B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比中心區(qū)域要高。這是由于靠近側(cè)表面的對(duì)流速度較低。對(duì)于非等溫模型，在靠近側(cè)表面的區(qū)域質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，但總體而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于等溫情況。在觀(guān)察出口處的物質(zhì) B 的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，這種差異很明顯，等溫情況下是 64.1%，非等溫情況下是 26.4%。

比較等溫情況（上）和非等溫情況（下）下物質(zhì) B 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

在等溫研究中，出口處的平均轉(zhuǎn)化率為 64.4%，非等溫研究中為 24.2%。這進(jìn)一步顯示了溫度對(duì)管式反應(yīng)器性能的影響。從這些研究中，我們可以看到，溫度曲線(xiàn)對(duì)反應(yīng)器的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化率有很大影響。

該模型可用于分析處于設(shè)計(jì)階段的管式反應(yīng)器，以及已經(jīng)用于生產(chǎn)應(yīng)用中的反應(yīng)器的反應(yīng)速率。您也可以在自己的模擬中應(yīng)用這篇文章中提到的許多建模技術(shù)，包括考慮多組分?jǐn)U散和用映射網(wǎng)格離散細(xì)長(zhǎng)幾何體。