多尺度反应器:多维度耦合仿真

2014年 11月 3日

在化工行业,填充床反应器是最常见的反应器。这类反应器可用于化学合成、废水处理以及催化燃烧等。通常情况下,多相催化中就需要填充床。它的常见设计是填充有催化剂颗粒的圆柱形容器。颗粒可通过各类支持的结构进行存储,比如管、流道,或容器内的单独隔间。最后一种形式被称作堆积填充

多孔介质

这里很关键的一点是颗粒或珠子是多孔的。换句话说,它们内部也有很小的通道。反应气体或流体混合物从圆柱底部流入、流经填充颗粒,有些反应物会扩散到细孔中;发生反应;然后作为产物流出反应颗粒。产物的混合物然后流至圆柱顶部并被抽走,通常,它们会在接下来的步骤中被净化。

挑战

创建要考虑到其几何形状的填充床反应器计算模型时,会面临一个重大挑战:一个真实的反应器中会包含成千上万个不同尺寸的颗粒,每个颗粒中又会包含无数的微型小孔。如要通过有限元解决所有这些细节问题,要设立的计算点(即自由度)数会非常多。实际上,我们很难处理如此详细的一个模型。

解决方案:5.0 版本中新增了第四种维度

在 COMSOL Multiphysics 5.0 中,我们引入了填充床反应器特征。它在现有的三维空间维度中附加了一个额外维度,用于仿真每个多孔催化剂颗粒内部的反应流。换句话说,我们将材料输运与颗粒中化学反应的一维描述与流体动力学、材料输运中的三维描述以及微观尺度上的任何反应耦合在了一起。本项特征同样允许用户对颗粒层面的分布进行解释。

用于分析多尺度反应器的模型。
反应颗粒床中的额外维度用于三维圆柱内的微观尺度仿真,即每个填充颗粒内部的情况。颗粒间的流体通过普通的三维尺度进行仿真,即宏观尺度。三维颗粒绘图中的颜色反映了化学物质的浓度分布。

多尺度三维填充床反应器模型演示了发生在颗粒中的一个不可逆简单化学反应 A \rightarrow B 。可对圆柱内任意位置的反应物和产物浓度分布进行绘图,以及流经反应床和流出反应器的流体中的宏观浓度。

绘图描述了填充床反应器模型的浓度水平。
在反应器内部入口上方 1 m 位置的颗粒中的反应物 A(蓝色)和产物 B(绿色)的浓度。可对反应器中任意位置的颗粒绘制此类绘图。粒子表面的浓度变化最为迅速,r/rpe = 1。

模型中反应物的浓度。
宏观尺度上的反应物浓度绘图 CA

总结及下一步

在过去,要求解微观尺度问题,我们需要为每个颗粒创建几何和网格,这几乎无法完成;现在的这种仿真方式使这类仿真成为可能。这一附加维度也可能用于求解其他类型的问题,比如极薄壳层中的传热问题。在未来的博客中我们将分析这一专题,请继续保持关注!

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