Моделирование процесса адсорбции в ANSYS Fluent

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.

Сgeometryледует 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:

2018-07-10_12-37-57где 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:
2018-07-10_12-50-14

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.

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).

2054122 Читать далее

История исследования явления кавитации. Часть 2

Вначале пытались подойти к проблеме кавитации с точки зрения гидродинамики и принимали во внимание только внешние обстоятельства – скорость потока воды, давление в потоке и зависимость того и другого от времени. Позднее поняли, что необходимо также учитывать и физические условия в жидкости – температуру, плотность, поверхностное натяжение, вязкость. Эти факторы, каждый по-своему, влияют на процесс образования паровых пузырей, на их устойчивость и интенсивность воздействия с твёрдой поверхностью.

Одни из первых опытов с растяжением жидкости провели Бертелло (1850 г.), Рейнольдс (1885 г.), Вортингтон (1892 г.), Диксон (1909 г.) и Мейер (1911 г.). Бертелло и Диксон для этих целей использовали прямую стальную капиллярную трубку. Им удалось растянуть воду до 50 и 200 атм., соответственно. Вортингтон «растянул» этиловый спирт давлением в 17 атм. Рейнольдс вращал U-образную трубку с жидкостью и вызывал растяжение действием центробежных сил.

В 1932 году Ньютон Гейнес разработал акустический метод создания кавитационных пузырей c использованием магнитострикционного генератора. Метод оказался удачным и используется в лабораторных исследованиях до настоящего времени. Опыты Гейнеса показали, что после нескольких минут работы генератора торцовая поверхность никелевого стержня оказывалась повреждённой, а характер повреждений в точности напоминал обычные язвовидные кавитационные повреждения.

Особо важный вклад в понимание кавитации внес британский физик и Нобелевский лауреат Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей), который занимался теоретическим изучением явления кавитации в период с 1908 по 1924 г. г.

В 1917 году Рэлей опубликовал статью, в которой на основе энергетического подхода рассмотрел случай захлопывания пустой полости в безграничном объеме жидкости под действием постоянного давления. Считая полость сферически симметричной и, исходя из условия, что кинетическая энергия движущейся жидкости равна работе, действующих на полость сил давления
equ01Рэлей определил скорость движения стенки полости в функции ее радиуса
equ02где ρ – плотность жидкости, R – радиус полости; P0 – внешнее давление, приложенное к полости.

Далее, рассматривая уравнение движения сферически симметричного потока
equ03и, используя граничное условие, что на стенке полости r = R, Рэлей получил выражение для максимального давления, возникающего при схлопывании пустой полости:
equ04Для  P0 = 10 атм. и  Rmax/R давление воды вне захлопывающейся сферы по расчетам Рэлея равно 5500 атм. Отметим, что работа Рэлея заложила теоретические основы изучения кавитации на многие годы вперед.

Читать далее