管式反应器常用于化工行业，帮助进行连续的大规模生产。为了准确分析这些设备，我们可以模拟管式反应器的解离过程。在这篇文章中，我们对等温和非等温模拟研究进行了比较。通过这些研究，我们展示了化学反应工程模块的许多有用功能，你可以在自己的模拟中使用它们。
管式反应器：化学工业中的一种常见设备
如果你观察过管式反应器的内部，就会发现反应物在高速流动并不断进行反应。这些反应物在管道中移动的过程中被转化为产品。由于生产过程是连续的，这些设备通常是化学和石油工业中进行规模生产的有效方式。
此外，管式反应器还被用在其他领域，如发电厂和发动机的燃烧过程中的废气处理。这种类型的反应器甚至可以用作药物的提纯方法，有可能生产出 价格更低的药品。
一个管式反应器模型。
为了设计出能有效产生尽可能多的产品的管式反应器，我们可以选择多物理场仿真。在这个例子中，我们将使用COMSOL多物理场仿真软件建立一个精确的反应器模型来研究气相解离过程。在下一节，我们将分享一个用化学反应工程模块建模的例子。我们用来解决这个模型的许多关键技术都可以应用在其他化学反应工程模拟中。
模拟解离过程
我们对管式反应器分析从一个旋转对称的模型开始。由于反应器的形状规则，该模型使用了一个映射或结构化的网格。模型中使用了 层流 和 浓物质传递 接口设置边界条件。
使用这个模型我们能够专注于研究气相解离过程。这里，每1摩尔A都会发生反应并产生2摩尔B，这将导致混合气体的体积膨胀。由于密度的变化，当混合物在反应器中移动时，气体的速度会增加，这种情况我们可以用可压缩的 纳维-斯托克斯方程来模拟。
显示管式反应器中解离过程的简图。
在解离反应中，混合物的成分发生了变化。一开始在入口处是纯A，但在出口处是A和B的混合物，这使之成为一个多组分系统。当处理像这样一个浓缩的多组分混合物时，需要考虑到所有可能的相互作用。在这个案例中，我们使用浓物质传递接口和Maxwell-Stefan或混合平均扩散方程来描述所有这些成分之间的相互作用。
此外，根据理想气体定律，密度的变化取决于压力、温度和成分。在浓物质传递接口中，密度的 “理想气体 “选项将自动考虑所有这些因素。层流接口描述了流体的动量平衡和连续性与密度的变化。
在模型中，产品B的生产速度取决于成分和温度。然而，如果假设气体是等温的，那么该速率将只随成分变化。我们将通过比较等温研究和非等温研究（同时考虑成分和温度）来看看这对我们的结果有什么影响。
比较等温和非等温研究
对管式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。该模型在非等温情况下进行了扩展，增加了流体传热接口和能量平衡方程来模拟温度。
虽然在等温情况下温度保持在473K不变，但在非等温情况下温度会发生变化。对于后者，气体在293 K（室温）的温度下进入反应器，并在反应过程中升温，因为反应器的壁被加热到473 K。因此，这两个模型之间的一个主要区别在于它们如何处理温度。
这种温度上的差异影响到研究的其他方面。例如，我们仔细看一下速度的大小。当对这些研究进行比较时，可以看到，由于反应过程中混合气体的体积扩大，速度沿Z轴增加。然而，在非等温情况下，速度大小略小。这是因为非等温情况下的温度较低，因此反应速率也较低。
比较等温情况（左）和非等温情况（右）的速度分布。可以看到，在等温的情况下，最大速度要大一些。
我们还对两项研究中物质B的质量分数进行了比较。比较下面两副图，可以发现，对于等温模型，我们发现在管子表面附近的物质B的质量分数比中心区域要高。这是由于靠近侧表面的对流速度较低。对于非等温模型，在靠近侧表面的区域质量分数也较高，但总体而言，质量分数低于等温情况。在观察出口处的物质B的平均质量分数时，这种差异很明显，等温情况下是64.1%，非等温情况下是26.4%。
比较等温情况（左）和非等温情况（右）下的物质B的质量分数。
在等温研究中，出口处的平均转化率为64.4%，非等温研究中为24.2%。这进一步显示了温度对管式反应器性能的影响。从这些研究中，我们可以看到，温度曲线对反应器的反应和转化率有很大影响。
该模型可用于分析仍处于设计阶段的管式反应器，以及现有反应器的反应速率。你也可以在自己的模拟中应用这篇博客中提到的许多建模技术，包括考虑多组分扩散和用映射网格离散细长几何体。
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