管状反应堆通常在化学工业中使用，它们有助于连续大规模生产。为了准确分析这些设备，我们可以模拟管状反应器的解离过程。在这篇博客文章中，我们比较等温和非等热模拟研究。这样的研究展示了化学反应工程模块中的多个有用功能，您可以在自己的模拟中使用。
管状反应堆：化学工业中的常见装置
如果要在管状反应器内看，您会看到反应物在高速速度下流动并连续反应。当这些反应物通过管道移动时，它们会变成产品。乐动体育app无法登录由于生产过程是连续的，因此这些设备通常是在化学和石油行业中生产大量产品的有效方法。乐动体育app无法登录
此外，在其他区域中使用了管状反应器，例如在发电厂和发动机的燃烧过程中的加气处理。这种类型的反应堆甚至可以用作药物的纯化方法，有可能导致更负担得起的药品。
管状反应器的模型。
为了设计有效生成最高产品的管状反应器，我们可以转向多物理模拟。在此示例中，我们将使用Comsol多物理模拟软件来构建精确的反应器模型来检查气相分离过程。在下一节中，我们将分享一个与化学反应工程模块创建的示例。我们用来解决该模型的许多关键技术都可以应用于其他化学反应工程模拟。
模拟解离过程
我们对管状反应器的分析始于旋转对称模型。由于反应堆的常规形状，该模型使用了映射的或结构化的网格。要在我们的模型中设置边界条件，我们使用层流和集中物种的运输接口。
该模型使我们能够专注于气相分离过程。这是物种反应并形成产物的B时。在这里，A的每个摩尔反应并产生两个摩尔的B，这会导致气体混合物的体积膨胀。由于密度的这种变化，气速度随着混合物的移动而增加Navier-Stokes方程。
简化的图像显示了管状反应器中的解离过程。
在解离反应期间，混合物的组成移动。尽管它以纯a开头，在出口处，但有A和B的混合物，使其成为多组分系统。在处理类似的集中多组分混合物时，您需要考虑所有可能的交互。在这种情况下，我们描述了所有这些组件与集中物种的运输界面和麦克斯韦 - 史丹或混合物平均扩散方程。
此外，根据理想气体定律，密度变化取决于压力，温度和成分。密度的“理想气体”选项集中物种的运输界面将自动考虑所有这些因素。这层流界面描述了流体的动量平衡和密度变化的连续性。
在我们的模型中，产品B的生产率取决于成分和温度。但是，如果您假设气体是等温的，则速率只会随成分而变化。我们将通过将等温研究与非等热研究进行比较，在考虑组成和温度的非等热研究中如何影响我们的结果。
比较等温和非等热研究
管状反应器的等温研究求解了可压缩的Navier-Stokes方程和Maxwell-Stefan对流和传导方程的耦合模型。该模型在非等热情况下进行了扩展，这增加了流体中的传热界面和能量平衡方程，以建模温度。
虽然温度在473 K的温度下保持恒定，但在非等热情况下会发生变化。在后者中，气体以293 K（室温）的温度进入反应器，并在反应过程中加热，因为反应器的壁被加热至473K。在非疗法研究中，包括反应热。因此，这两个模型之间的主要区别在于它们如何处理温度。
温度差异会影响研究的其他方面。例如，让我们仔细看看速度幅度。在比较这些研究时，我们可以看到速度沿着z- 由于反应过程中气体混合物的增加而引起的轴。然而，在非隔热情况下，速度幅度稍小。这是因为非等热情况的温度较低，因此反应速率较低。
比较等温病例（左）和非等热情况（右）的速度幅度。您会看到在等温度的情况下，最大速度稍高一些。
我们还比较了两项研究的物种B的质量分数。对于等温模型，我们发现在管表面附近的物种B的质量分数高于中心区域。这是由于侧面表面附近的对流流速较低。对于非等热模型，在靠近侧面的区域的质量分数也更高，但总体而言，质量分数低于等温病例，正如我们在比较下面的两个图时所看到的那样。当观察出出口处物种B的平均质量分数时，这种差异很明显，在等温病例中为64.1％，非等热病例为26.4％。
比较等温病例（左）和非等热情况（右）的物种B的质量分数。
等温研究的出口插座的平均转化率为64.4％，非等热研究的平均转化率为24.2％。这进一步表明了温度对管状反应器的性能的影响。从这些研究中，我们可以看到温度曲线对反应堆的反应和转化率有重大影响。
该模型可用于分析仍处于设计阶段的管状反应器以及现有反应器的反应速率。您还可以应用此博客文章中提到的许多建模技术，从考虑多组件扩散到在您自己的模拟中使用映射网格的长而薄的几何形状离散。
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