Проще удар в каталитических реакторов
Реакции и увольнения
Используя формулу основе моделирования для разработки этих реакторов может оптимизировать их эффективность и производительность.
Катализаторы широко используются для повышения реакций в химическом производстве, уменьшить загрязняющих веществ в выхлопных газах и жидких потоков, а также содействовать сгорания при низких температурах в выстрелов оборудования. Эти материалы, либо уменьшить энергию активации реакции или полностью изменить путь реакции или механизма. Использование катализаторов уменьшить размер оборудования, необходимого для достижения определенной пропускной способности, что сокращение капитальных и эксплуатационных затрат на процесс. Кроме того, эти материалы часто обладают высокой селективностью, что привело к улучшению качества продукции.
Катализаторы это большой бизнес. В 1996 году общий объем продаж в США были выше $ 1 млрд (1). Кроме того, примерно одна треть (материала), валовой национальный продукт (ВНП) США включает каталитический процесс где-то по своей производственной цепочки (2). Тем не менее, катализаторы, зачастую, дорогостоящих и качество продукта сильно зависит от их выполнения, поэтому они должны быть использованы должным образом. Кроме того, разработка каталитических оборудования (например, реакторы) имеет решающее значение.
В течение последнего десятилетия, передовые инструменты моделирования стали легко доступны для большинства химических инженеров. Внедрение интерактивных программ численного моделирования создали парадигмы в способ инженеров химической способны разрабатывать каталитические реакторы (1). В частности, с помощью уравнения основе моделирования (ДМ) в реакции инженерной и транспортной явления могут способствовать оптимизации разработки каталитических реакторов и камер сгорания. Этот метод расчета дает преимущества по сравнению с использованием обычных вычислительной гидродинамики (CFD) программного обеспечения.
Традиционные пакетов CFD превосходны в механике жидкости и моделирования они включают в себя обтекаемый аппаратных решателей для лечения данного круга проблем как можно более эффективно. Они предлагают вычислительную эффективность и скорость для широкого круга проблем относятся, и они делают хорошую работу, когда условия и систем, которые изучаются распространяется пакет.
Когда выходит за рамки диапазона уравнений или условий, предоставленными такими пакет дополнений необходимы, которые вводятся как C или FORTRAN пользователь - подпрограмм (или определяемые пользователем функции). Эти подпрограммы часто петельные последовательно и не в полной мере включены в численной схемы. Это снижает скорость сходимости решателей.
Преимущества использования ДМ в основном, в простоте использования и надежности. Стратегии в пакете EBM является включение библиотеки уравнений, например, Навье-Стокса динамики жидкостей, в сочетании со свободно уравнения формулировок. Это означает, что пользователь может задать как изменить существующие формулировки без необходимости писать какой-либо код, и определить свою собственную уравнений с нуля. Во всяком случае, формулировки были полностью интегрированы в численной схеме, которая обеспечивает стабильность и надежность.
Например различия между EBM и традиционных пакетов CFD является определение параболического профиля скорости входа в качестве граничных условий в уравнениях NavierStokes, так называемые Пуазейля (3, стр. 55). Это полиномом второго порядка по х и у, или границы координат. Большинство традиционных пакетов CFD потребует определенной пользователем функции для такой простой операции, хотя это будет просто ввели в непосредственно в качестве граничного условия в пакете EBM. В этом случае, закон Пуазейля описывает только алгебраические уравнения для граничных условий. Же манипуляции можно сделать для более сложным операциям, связанным с связи частичным дифференциальных уравнений в модели предметной области.
Моделирование в EBM можете комбинировать использование readyto использования приложений и свободного моделирования дифференциальных уравнений. Реализации стандартных задач в готовые к использованию приложения может быть сделано путем определения физического ввода данных, такие как вязкость, плотность и т. д. В нестандартных моделей, уравнений в частных производных определяется почти так же, как они написаны с ручкой и бумаги; уравнения переводчик переводит этот код.
Реализации модели прост и состоит из геометрии чертежа, определение исходных данных (или уравнений) и граничные условия, а также сетки, решения и постобработка, которая включает в себя такие мероприятия, как графические результаты.
EBM часто использует интерактивный графический пользовательский интерфейс, не требует передачи файлов на различных этапах процедуры моделирования. Уравнение переводчика, что исключает необходимость для определенных пользователем функций и однородность новых программ для EBM дать краткое обучение. Так как дифференциальные уравнения не скрывал, даже на готовые к использованию приложения, проблема определения ясно.
Гетерогенных моделей
Гетерогенного катализа включает жидкости и твердого катализатора. Реагентов адсорбируются на поверхности, образуя промежуточное, которые либо вступает в реакцию с другими видами или десорбируется в качестве конечного продукта. Транспорта видов и из этих сайтов зависит от механики жидкости системы.
Использование EBM, инженеры могут исследовать влияние динамики жидкостей на каталитической реакции. Такой анализ может проводиться на различных уровнях. Например, в проведении детальных исследований, катализатор / поверхности жидкости математически моделируется как гетерогенных геометрической интерфейс. Когда этот интерфейс является очень сложным, гомогенизации методы должны быть использованы. Эти методы обычно приводят к модели общего потока для пористых сред.
В тщательного изучения, жидкой фазы и катализатора моделируется с помощью формы катализатора / жидкость интерфейс и геометрии самого реактора. Жидкости моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса, которые гарантируют сохранение импульса и массы жидкости. Решение этих уравнений дает скорость во всех пространственных направлениях, а давление в жидкости. В простейшем случае, гетерогенные реакции, не влияют на свойства жидкости. Тем не менее, при обтекании неизотермических, когда происходит изменение фазы или полимеризации происходит, свойства жидкости могут существенно разниться в ходе реакции, в результате смены составов.
1 приведены поля течения в экспериментальном реакторе используется для исследования гетерогенного катализа. Устройство состоит из трубчатой структуры с введением трубки, основные оси, перпендикулярной к оси реактора. Входящих видов в основных и трубки инъекций реагировать на фиксированной пористого слоя катализатора. EBM пары свободной жидкости и пористых потоков информации через Навье-Стокса и расширение Brinkman о праве Дарси.
закон Дарси предполагает, что вектор скорости пропорционален градиенту давления только, и не зависит от переноса импульса сдвига. расширение Brinkman виде знакомит сдвига в качестве транспортного механизма для импульса в пористых средах. Эта формула обсудили более углубленный в разделе, посвященном катализаторов.
Эта модель показывает, что инжекция находится слишком близко к пористой постели. Реагентов не хорошо перемешивается и лишь небольшая часть из кровати. Хороший дизайн должен включать в себя небольшой статический смеситель после запятой для инъекций или инъекции точка должна быть двинулись дальше вверх по течению до получения перемешивания путем диффузии. Бедные реакции распределения является общей проблемой в гетерогенных реакторов и приводит, среди прочего, создание хот-спотов, слабое использование катализатора и чрезмерного износа катализатора. Моделирование является ценным и недорогой способ для прогнозирования и оценки реакции распространения в гетерогенных реакторов и избежать таких возможных ошибок.
EBM для двухфазных потоков
Газовые эволюции реакций на поверхности твердых тел являются примеры, в которых импульса и массы балансы для учета изменения объема жидкости, в результате гетерогенной химической реакции. Как правило, Есть два типа моделей:
* В более детальные двухжидкостной модели, один набор сохранения уравнений решается на каждом этапе, а также закрытие отношений, необходимых для обмена межфазного сопротивления, массы и т. д.
* Кроме того, смеси или диффузии двухфазной модели могут быть использованы, в котором простота достигается с потерей части информации о системе. Такие модели особенно полезны в бисерные потока режимов, где они дают прекрасные результаты, и требуется лишь небольшое усилие по сравнению с более сложным "2-жидкость" моделей. Двухжидкостной модели содержат больше информации, чем требуется для этого расчета и, следовательно, может быть более-трудно понять и адаптировать для применения.
В уравнении. 3, самодиффузии пузырьков зависит от направления в пространстве. Вот почему диффузии является матрицей, а не скалярные отношений. Относительная скорость между пузырьками и жидкости может быть установлен на предельной скорости пузырька в непрерывной жидкости. Другие условия также могут быть включены, например, те, для боковых сил лифт, сдвига-индуцированной миграции и диффузии, а также других возможных взаимодействий между пузырьками и непрерывной жидкости (4).
Единой модели не существует, чтобы описать две фазы течения. В этом случае, можно легко ввести новые условия взаимодействия в импульсном балансы, используя EBM пакет.
2 представлены распределения потока и газа дроби для реактора, в котором газовыделения происходит на каталитических поверхностях. Плавучести созданные газа изменяет распределение потока через реактор.
Этот пример водорода развивающейся поверхности катода в хлорной клеточной мембране. Содержание газа играет большую роль в реакции распределения на поверхности катода катализатора. Кроме того, газовый состав влияния электрического тока и распределение потенциала в клетке, который, конечно, влияют на действия катализатора.
Пористых катализаторов
В этом случае, либо катализатора, нанесенного на пористую поверхность или на пористых частиц максимально активной поверхности. Точную структуру катализатора моделируется с помощью численных методов, таких как метода конечных элементов для сложной геометрии. Тем не менее, это возможно лишь "кусочек" структуры. Для моделирования крупной структуры, гомогенизации методы. В этих расчетах, структура рассматривается как псевдогомогенной плиты содержащие жидкости и твердого катализатора (3, стр. 564).
Баланса импульса пористой структуры, как правило, сводится к закону Дарси, который касается скорости в пористой среде с градиентом давления. Этот закон применяется с пористой структуры препятствуют переноса импульса из-за влияния вязкости жидкости.
В открытой пористой структуры, количества движения транспорта может происходить через вязкой транспорта и закон Дарси должна быть заменена на так называемый Brinkman расширение его (4, стр. 148). Расширение применения Brinkman является примером в этом примере показано на рисунке 1. (См. первое издание Ref. 4 (1960), p. 150, для объяснения расширения Brinkman.)
В этих уравнениях, эффективной вязкости жидкости на основе пористой структуры описывается размер пор, пористость, размеры частиц и других подобных факторов. Если частиц в пористой структуре являются фиксированными, то они не способствуют переноса импульса, а также эффективная вязкость меньше вязкости свободной жидкости. Некоторые отношения для расчета эффективной вязкости, и действительны для различных диапазонов в пористости и различных пористых структур (5).
Чтобы избежать больших потерь давления и обеспечить высокий уровень транспортных реагентов и продуктов и из катализатора структуры, микропористой структурой часто в сочетании с системой больших пор. Примеры каналов реактора и монолитный змеевик каналы в топливных элементах. В таких случаях связь между свободными и porousmedia потока дает хорошие оценки движения и массопереноса в пористой структурой.
Электрокинетические эффекты
В дополнение к инициативе давления потока, с электрическим приводом потока электролитов может произойти в гетерогенных реакторов. Наличие жидкости / твердой поверхности взаимодействия форм двойного электрического слоя, в котором электронейтральности ионных решений не выполняется.
В дополнение к электроосмоса, электрофоретическая последствия могут возникнуть, это означает, что ионы в объеме жидкости, мигрируют в электрическом поле. Электроосмоса и электрофореза являются важными механизмами транспорта в электрохимических реакторов, так и гетерогенных микрореакторах (7).
На рисунке 3 показана введении ионов в электрохроматографии колонке, путем электрокинетических клапана. Поток обусловлена сочетанием давления и электрического поля (7, 8). Ионов растворенного вещества перевозятся в реактор через электрофореза. Из рисунка видно, снижению транспортных образца в колоночной хроматографии. Фокусировка создается электрокинетических и давление - разноплотностной фильтрации, где буферный раствор вытекает из вертикальных каналов в горизонтальном канале. Образца вводится на левой стороне в горизонтальном канале и нейтрализуют буфера в канал переправы. Разделение и инъекции, определяется с помощью электрического поля в вертикальном направлении в канале, что приводит к тонкой части сосредоточены образца мигрировать в этой области. Слабом поле применяется в горизонтальном канале, чтобы лучше разлуки.
Рисунок 3 иллюстрирует силу по сравнению с EBM жесткий проводной связи в большинстве коммерческих пакетов CFD. В этом случае связь между электрическим полем и остатков импульса достаточно прост и легко осуществить. Связь между электрическими полями, а также переноса импульса и массы не только в электрокинетического потока, но и в электрохимических ячейках и коррозионных процессов.
Использование энергии и баланса массы
Импульса и глобального баланса массы в уравнениях. 1-5 могут быть решены в сочетании с энергией и видов остатков в гетерогенной системы. В полностью гетерогенных моделей, определение этих остатков, как правило, проста и выражается конвекции-диффузии для каждого вида, а также для переноса тепла.
При наличии существенного взаимодействия молекул растворенного вещества, Максвелла-Стефана уравнения должны быть использованы для описания распространения видов в пределах баланса массы (6, с. 5-46 и 5-47). Эти уравнения учета взаимодействия между всеми видами в раствор, а так называемые Fickean диффузии обычно учитывает взаимодействие только между растворенного вещества и растворителя. Это делается для всех, кроме одного вида, так как последние необходимые уравнения найдена в общем балансе масса, определенная в сочетании с системой Навье-Стокса.
Новая формулировка опубликованы Кертисс и Берд (9), которая берет свое начало от Максвелла-Стефана уравнений, дает явное выражение для потока каждого вида в зависимости от состава и градиент состава. Эта формулировка описывает диффузию в концентрированных газов и жидкостей, а также, например, в мембранах и ионообменных смол. Опять же, инженер должен уметь контролировать уравнений, используемых для описания взаимодействий, которые дают коэффициентов диффузии. Это способствовало при использовании EBM пакет.
В нижней части рис 4 показывает текущее распределение плотности в протон-обменных мембранных топливных элементов. Поток давления приводом и транспорта участвующих видов, в данном случае кислорода, азота, водорода и воды, происходит путем диффузии и конвекции. Massand уравнений импульса транспорта, связанной с зарядовой транспорт протонов в мембране. Перевозки газообразных видов лечить с использованием уравнений Максвелла-Стефана уравнения. В этом случае перенос кислорода к активному слою катализатора Лимитирующей для процесса (10).
где гамма пористость элементарной ячейки и экспоненты, 1,5, приходится извилистый характер структуры.
Выполнение тепловой баланс представляет собой более трудную задачу: теплопроводность, как правило, на несколько порядков больше в твердом, чем в жидкости. В жидкой фазе, проведение сравнительно невелик, в то время как конвективный перенос может быть большим. Это означает, что можно получить большой разнице температур между твердой и жидкой фаз. В этих случаях, псевдо-однородной модели должен быть определен на две фазы, то есть два разных температурах и две различные остатки тепла должны быть смоделированы. Передачи тепла между фазами выражается тепло - коэффициент местного разность температур (3).
На рисунке 5 показан температурный профиль для упакованных кровать трубчатых реакторов, используемых для производства фталевого ангидрида. Реакция сильно экзотермических, и температура входе в реактор должен быть тщательно контролироваться, чтобы избежать хот-спота образования. Сечение температуры вдоль главной оси реактора, показывает, что максимальное значение получается.
Поскольку существует хороший запас реагентов и газ нагревается, как он проходит через плотный слой, область создается с высокой скоростью реакции и высокой температуры, начиная с позиции показано на рисунке 5 (11).
Заглядывая вперед
В прошлом, инженеры-химики использовали моделирование сделать приблизительные оценки по проектированию, эксплуатации и контроля каталитических реакторов. В настоящее время недорогие мощные компьютеры и программное обеспечение сделали детальное моделирование более доступными.
Несмотря на это, Есть много проблем, которые не могут быть решены из-за ограниченности вычислительных мощностей. Тем не менее, это не только сдерживающим фактором в моделировании каталитических систем. Например, казалось бы, простой вопрос прогнозирования соли растворимость в концентрированных электролитов не могут быть урегулированы с последовательно применять теорию. Существует нет объединяющей последовательной теории, которые могут предсказать свойства произвольных жидких растворах. Большинство теорий полуэмпирических и рассчитывать на какие-то измерения. Кроме того, существует до сих пор не общая теория, которую можно использовать для всех типов турбулентных потоков, возникающих в каталитических реакторах.
Моделирование каталитических процессов включает в себя разработку уравнений, которые подробно представительства нескольких одновременных явлений - термодинамика, кинетика и явлений переноса в макроскопических моделей. В течение следующих нескольких лет, мы ожидаем, чтобы иметь возможность модель кинетики и переноса большого числа видов в каталитических процессах, в связи с большей памяти и более быстрые процессоры.
Большой каталитических реакторов, горелок и преобразователей, как правило, построены в соответствии с их первоначального дизайна, и лишь небольшие изменения возможны после того, оборудование было сфабриковано. Поэтому, тщательно моделирования такого подразделения, прежде чем на самом деле построен имеет решающее значение. Комбинация моделирования и эксперимента приведет к более эффективные устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фоглер, HS, "Элементы химической инженерии реакция", третье издание, Prentice Hall, Верховья реки седла, NJ, стр. 582 (1999).
2. Morbidelli, M и др.. ", Catalyst Дизайн", Cambridge University Press, Кембридж, Великобритания (2001).
3. Берд, RB, и др.., "Явления транспорта", второе издание, John Wiley, Нью-Йорке (2002).
4. Wetind Р., двухфазного потока в газо-Эволюция применения электрохимических ", кандидатская диссертация, Королевский технологический институт, Стокгольм (2001). (В разделе <a href="mailto:acquisitions@lib.kth.se"> acquisitions@lib.kth.se </ A>.)
5. Brinkman, НС, "Расчет вязкого сила, стекающей жидкой на плотном рой частиц", Appl. Наука Рез., A1, с. 27-34 (февраль 1947).
6. Перри, RH, и DW Грин, "Перри Справочник инженеров-химиков," седьмое издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк (1997).
7. Макиннес, J., Chem. Eng. Sci., "Вычисление Реагируя Электрокинетические потока в микроканальных геометрии", 57, с. 4539-4558 (ноябрь 2002).
8. Ермаков, С. В. и др. /., "Компьютерное моделирование Электрокинетические перенос массы в Microfabricated Жидкостная Devices," Техническая проц. в 1999 Intl. Conf по моделированию Microsystems, гл. 16, с. 534-537, Вычислительная Публикации, Cambridge, MA (1999).
9. Кертисс, CF, Берд Р. "многокомпонентной диффузии", штат Индиана Eng. Химреагент Рез., 38, с. 2515-2522 (июнь 1999).
10. FEMLAB химического машиностроения Модель библиотека, COMSOL Инк, Стокгольм, Швеция (2002).
11. Фроман, Г. Е, и К. Ф. Бишоф, "Химический анализ реактора и дизайн", 2-е изд-, John Wiley, Нью-Йорке (1990).
ED FONTES, Фил Бирн и Улоф HERNELL, COMSOL, INC
ED FONTES является менеджером отдела FEMLAB приложений в COMSOL AB (Tegnergatan 23, SE-111 40, Стокгольм, Швеция: 46 Телефон 8 412 95 00, факс: 8 46 412 95 10, E-почта: <A HREF = "Посылка : ed@comsol.com "> <ed@comsol.com />). Он возглавляет постоянное развитие химического машиностроения модуль в FEMLAB и 5-летний опыт в моделировании транспортных явлений в химической промышленности и 4 лет контролирующих научно-исследовательских проектов в академических кругах. Fontes имеет степень доктора от Королевского технологического института в Стокгольме.
ФИЛ БЕРН является вице-президент по продажам в COMSOL Инк (8 Новой Англии Исполнительный парк, Suite 310, Берлингтон, М. А. 01803, телефон: (781) 273 - 3322, факс: (781) 273-6603, E-почта: <a href="mailto:phil@comsol.com"> <phil@comsol.com />). До прихода в COMSOL, он был в химической промышленности в течение трех лет. До прихода в отдел продаж COMSOL, он принимал участие в разработке химического машиностроения модуль в FEMLAB. Он имеет докторскую степень в области химического машиностроения в Королевском технологическом институте в Стокгольме.
Улоф HERNELL является применение инженер COMSOL AB (Стокгольм, Швеция; Телефон: 8 412 46 95 оо; Факс: 8 46 412 95 10, E-почта: <a href="mailto:olof@comsol.com"> Улоф @ comsol.com </ A>). Он является частью команды разработчиков для химического машиностроения модуль в FEMLAB. Он получил степень магистра в области химического машиностроения Королевском технологическом институте в Стокгольме.
