احتمالاً متداول‌ترین راکتور در صنایع شیمیایی راکتور بستر آکنده است. این راکتور در سنتز شیمیایی برای تصفیه پساب و احتراق کاتالیزوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. اغلب اوقات، کاتالیز ناهمگن نیاز به بستر آکنده دارد. طرح متداول بستر آکنده شامل یک ستون استوانه ای مملو از دانه‌های کاتالیستی می‌باشد. دانه‌ها می‌توانند درون ساختار متصل به ستون مانند لوله یا کانال قرار گیرند یا در یک محفظه واحد در ستون بسته بندی شوند. حالت دوم را بسته بندی ریخته گری می گویند.
محیط متخلخل
نکته مهم اینست که قرصها یا دانه‌ها، متخلخل هستند. به این معنی که، دارای فضاها و کانال‌های خالی بسیار کوچکی در درون خود هستند. هنگامی که گاز واکنش دهنده یا مخلوط مایع از پایین به درون ستون پمپ می‌شود و زمانی که از اطراف دانه کاتالیستی عبور می‌کند، برخی از واکنش دهنده‌ها در منافذ نفوذ کرده سپس با دانه کاتالیستی واکنش می‌دهند؛ و در نهایت دانه کاتالیستی را دوباره به عنوان محصول رها می‌کند. حاصل این واکنش که مخلوطی از واکنش دهنده و دانه کاتالیستی است به قسمت بالای ستون منتقل شده و خارج می‌شود، که معمولاً در مراحل بعدی تصفیه می‌شود.
چالش
هنگام ایجاد یک مدل محاسباتی از راکتور بستر آکنده با در نظرگرفتن شکل هندسی آن، با یک چالش اساسی روبرو می‌شوید: یک راکتور واقع گرایانه می‌تواند شامل صدها هزار دانه در اندازه‌های مختلف باشد و هر دانه حاوی منافذ میکرونی بی شماری است. بنابراین حل همه این جزئیات با مش المان محدود، نیازمند نقاط محاسباتی (درجات آزادی) بسیاری است، که در عمل، مدیریت چنین مدل دقیقی غیرممکن است.
راه حل: بعد چهارم اضافه شده در نسخه 5.0 نرم افزار COMSOL Multiphysics
با استفاده از ورژن 5.0 نرم افزار COMSOL Multiphysics، ویژگی Reactive Pellet Bed را معرفی می‌کنیم. این ویژگی یک “بعد اضافه” را به ابعاد فضایی سه‌بعدی موجود را پیوست می‌کند که جریان واکنش درون هر دانه کاتالیزوری متخلخل را مدل‌سازی می‌کند. به عبارت دیگر با این ویژگی، توصیف سه بعدی از دینامیک سیال و انتقال مواد همراه با هرگونه واکنش در مقیاس ماکرو را به توصیف تک بعدی از انتقال ماده و واکنش شیمیایی موجود در دانه‌های کاتالیستی، کوپل می‌کنیم. این ویژگی همچنین به کاربر این امکان را می‌دهد تا توزیع دانه کاتالیستی با اندازه‌های مختلف را نیز محاسبه کند.
بعد اضافی یا extra dimension در بستر دانه کاتالیستی واکنشی، هر آنچه در داخل دانه کاتالیستی در مقیاس کوچک اتفاق می‌افتد را در سراسر ستون سه بعدی شبیه سازی می کند. سیال بین دانه های کاتالیستی، در فضای سه بعدی در مقیاس ماکرو شبیه سازی شده است. رنگ موجود در طرح دانه ای سه بعدی نشان دهنده نحوه تراکم گونه‌های شیمیایی است.
مدل Multiscale 3D Packed Bed Reactor یک واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر ساده را نشان می‌دهد که در دانه‌های کاتالیستی اتفاق می‌افتد. غلظت واکنش دهنده و محصول را می‌توان در هر موقعیتی در ستون ترسیم کرد، همچنین می‌توان غلظت سیال را که از بستر عبور داده شده و از راکتور خارج شده را نیز در مقیاس ماکرو ترسیم کرد.
در تصویر بالا A، غلظت واکنش دهنده (آبی) و B، غلظت محصول (سبز) را در یک دانه در وسط راکتور در موقعیت 1 متر بالاتر از ورودی نشان می‌دهد. این نوع طرح می‌تواند برای هر دانه ای در هر موقعیتی در راکتور نمایش داده شود. همانطور که مشاهده می‌کنید غلظت‌ها به سرعت در نزدیکی سطح ذره تغییر می‌کنند، r/rpe = 1.
نقشه ای از غلظت واکنش دهنده، CA، در مقیاس ماکرو.
خلاصه و مراحل بعدی
مدل سازی از این طریق امکان حل مسائل چند مقیاسی را بدون نیاز به ایجاد هندسه و مشبک کردن دانه‌های تکی، را فراهم می‌کند، که این امر تقریباً قبلاً غیرممکن بوده است. استفاده از “بعد اضافه”، پتانسیل بسیار خوبی برای حل سایر مسائل مانند انتقال حرارت در پوسته‌های بسیار نازک را نیز ایجاد می کند. ما در پست آینده به آن موضوع خواهیم پرداخت، بنابراین با ما همراه باشید.
این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان راکتورهای چندمقیاسی: راکتور بستر آکنده در نرم افزار کامسول برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی
آموزشهای پیشنهادی:
ویدئوهای دوره آموزش تخصصی کامسول برای مهندسی شیمی- به همراه کلاس رفع اشکال زنده
ویدیوهای دوره آموزش تخصصی محیط متخلخل در کامسول به همراه کلاس رفع اشکال زنده
