建模化学反应：整体反应器的3D模型

在上一篇博客文章中，我们处理了反应动力学和单片反应器的建模插头流在汽车的排气系统中。目的是确定氨的理想剂量，以降低空气中排放到空气中的氮水平。在理解了我们问题的化学反应之后，现在是我们“建模化学反应”博客系列中第二部分的时候了。在这里，我们将介绍生成整体反应堆3D模型的步骤，以确定系统的理想尺寸和设计。

动力学和插头流的回顾

首先，让您加快我们在我们中停止的位置上一篇博客文章。现在，我们已经分析了氨降低的氮氧化物（NO）的反应动力学（NH₃）确定减少的理想工作条件。我们生成的地块使我们很好地表明了NH的范围₃：没有比例，但我们希望比这更具体。接下来，我们使用插头流模型来弄清楚最少数量的NH₃为了减少NO，我们将需要。我们的模型建议NH₃：没有比例为1.3。

构建整体反应堆的3D模型

我们注意到反应动力学，因此，最佳氨剂量会因温度而变化，这反过来又取决于反应器的过度设计。让我们创建一个整体反应堆的完整3D模型，以找出我们的空气纯度系统的外观。这样做，我们将能够理解问题的全部依赖性方面。在模拟结束时，我们将确认我们的剂量或相应地调整剂量。我们的完整3D整体反应堆模型将包括质量传输，传热和流体流动。

这是我们反应堆的视觉效果：

0.36米长的整体反应堆的几何形状，半径为0.1米。每个反应通道的横截面面积为12.6毫米²通道块的空隙分数为0.75。

无还原化学发生在通道块中，在通道块之间具有支撑壁和不可渗透的壁。得益于对称性，建模域被降低到整体反应堆几何形状的1/8。

关于我们的模型的假设

让我们以伪均质方法来建模反应堆中的众多通道（数百个）。每个通道将通过1D质量传输方程来描述，因为通道之间没有质量交换。我们还假设通道中的层流完全开发。这样，平均流场与反应器之间的压力差成正比。质量和能量仅通过通道方向流体流动。通道中反应气体的温度以及整体结构中的导电热传递和支撑壁的导电都用能量方程来描述。在连接反应堆通道并将其转换为3D模型方面，该方程恰好是“密封交易”的内容。这是因为温度会影响反应动力学和反应气体的密度和粘度。

结果

定义我们的物理学并设置问题后，我们可以分析结果。

NO在整体反应堆中的转换。	反应器温度的横截面。

在左侧的图像中，您可以看到，在上一篇博客文章中所述的单渠道模型中的平均转换略低于我们的单渠道模型中的模拟（97.5％而不是98.7％）。这向我们展示了频道的性能如何取决于其在反应堆中的位置 - 这绝对是一个3D问题。同时，右手图描绘了反应堆整个温度的横截面。反应堆的中央部分和入口部分显示出由于放热反应而显示的温度较高，但是随着我们进一步进入，由于发生的化学反应量降低以及由于进入周围环境而导致的化学反应量降低，因此我们注意到温度较低。同样，我们的3D模型显示出与单渠道模型的略有不同的结果：此处的最高温度为541.5 K，而单渠道版本中的533.9 k。支撑壁的导热率对我们系统的最高温度有影响。

由于我们从动力学分析中知道温度会影响剂量，因此我们应该研究选择性图以确定适当的剂量。

选择性图：R1/R2大于1。选择性有利于我们初始剂量的氨剂量。

尽管我们在这里可以看到，选择性在反应堆的中心附近掉落，但在整个系统中仍然降低了NO。

提示：想建立这个模型吗？您可以访问模型文件和文档整体反应堆模型在我们的模型画廊中。

依次对化学反应进行建模的优点

将我们的仿真过程分为较小的步骤（动力学，插头流，详细的3D模型）是有利的。我们以前的博客文章中概述的前两个步骤相对易于设置，我们提出了一个定义明确的问题，可以全面建模。这消除了一些更高级和计算重的3D模拟的压力。我们还了解了在第一步中温度和空间依赖性如何影响我们的模型，从而使我们能够比在没有这些知识的情况下更有效地建立完整的模型。从完美混合的条件转变为完全依赖空间的条件，进一步帮助我们决定了完整模型中所需的细节水平。

结论和下一步

现在，我们已经确认了系统的氨剂量以及整体反应堆如何全面运行。这很棒，但是其他物理学呢？其他物理可能会影响催化转化器的性能。为了发现，我们的下一步将是分析反应器的热应力。敬请关注！

进一步阅读

• 整体反应堆模型中的NOx降低
• 使用的产品：化学工程模块

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1. 建模化学反应：动力学
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