Сегодня мы рассмотрим задачу моделирования процесса адсорбции c использованием решателя ANSYS Fluent. Напомним, что адсорбция – это процесс поглощения поверхностно-активных веществ из раствора или газовой смеси поверхностным слоем жидкости или твердого тела – специальными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать различные материалы с высокой удельной поверхностью, например, пористый углерод (активированный уголь) или силикагели.

Следует отличать адсорбцию от абсорбции. В последнем случае вещество диффундирует в объем жидкости или твердого тела и образует раствор или гель.

Адсорбция – достаточно распространенное явление в химической и нефтегазовой отраслях. Оно возникает повсеместно, где присутствует поверхность раздела между фазами. Устройство для проведения адсорбции называется адсорбером.

Для моделирования адсорбции мы будем использовать предопределенные шаблоны для задания реакций на поверхностности и гетерогенных реакций по всему объёму в ANSYS Fluent.

Количественно процесс адсорбции (без учета межмолекулярного взаимодействия адсорбата) описывается уравнением Ленгмюра:

где Θ – доля площади поверхности адсорбента, занятая адсорбатом, α – адсорбционный коэффициент Ленгмюра, P – концентрация адсорбтива.

Уравнение Ленгмюра представляет собой одну из форм уравнения изотермы адсорбции, которая определяет зависимость равновесной величины адсорбции от концентрации адсорбтива при постоянной температуре. Концентрация адсорбтива при адсорбции из жидкости (растворов) выражается в мольных долях. При адсорбции из газовой фазы концентрация выражается в единицах абсолютного давления. В случае адсорбции на твёрдых адсорбентах, используют отношение массы поглощённого вещества к массе самого адсорбента.

Рассмотрим двумерную задачу адсорбции газовой смеси (воздух+углекислый газ) твердым телом (слоем насадки адсорбера).

Поглощение углекислого газа адсорбентом описывается следующим уравнением:

Далее опишем основные шаги, связанные с постановкой задачи адсорбции в ANSYS Fluent.

Сначала включите решение уравнения энергии и выберите модель турбулентности. Если отсутствует первоначальная закрутка потока газовой смеси или сильное искривление линий тока, обусловленное геометрией адсорбера, то можно использовать по-умолчанию модель турбулентности k-ε.

Включите модель переноса компонентов Enable Species transport и в открывшейся панели Species Model активируйте в разделе Reactions опции Volumetric (реакция в объеме) и Wall Surface (реакция на поверхности).

Читать далее →