Мастер-класс: CFD расчет химического реактора #2.

reactorПродолжаем заниматься расчетами химических реакторов в ANSYS CFX. Прошлый наш разговор мы закончили описанием инструментов  ANSYS CFX для задания элементарных реакций. Напомню, что для вызова панели [Reaction] используется иконка reaction1, которая находится в верхнем контекстном меню.  Для определения реакции (Insert Reaction и далее вбиваете имя реакции) вы последовательно проходите все закладки этой панели (слева-направо): Basic Settings→ Reactants→ Products→ Reaction Rates.

Чтобы упростить вам жизнь, я заранее подготовил CCL-файл с библиотекой всех реакций. Для его активации вы должны выполнить команду File→ Import→ CCL… Файл с реакциями вы можете скачать по этой ссылке

.

В закладке Reactants мы указываем исходные реагенты, в закладке Products — конечные реагенты (продукты реакции). А в закладке Reaction Rates мы определяем кинетику соответствующей реакции. Все реагенты, которые участвуют у нас в реакциях (а это начальные, промежуточные и конечные продукты), мы должны заранее определить с помощью инструмента materialMaterial . После этого все действующие реагенты нам станут доступны через список Materials List.

С помощью инструмента Material мы определяем теплофизические свойства реагентов (как и в обычной газодинамической задаче). Это достаточно трудоемкий процесс, так как нам необходимо создать 16 новых «материалов»: Cl2, Cl, CH3Cl, CH2Cl, HCl, CH2Cl2, CHCl2, CHCl2CH2Cl, CCl3, CCl3CCl3, CHCl2CHCl2, CHCl3, CCl3CH2Cl, CCl3CHCl2, CCl4, N2). Пример задания свойств хлора показан на рисунке ниже.

clГотовую библиотеку материалов для проекта, сохраненную в формате CCL, вы можете скачать здесь

.

«Подключаете» к проекту вы ее также, как и библиотеку реакций.

На сегодня это все. Продолжение следует…

С уважением, Денис Хитрых,
2016-11-21_16-58-13

Мастер-класс: CFD расчет химического реактора

reactorСегодня мы с вами смоделируем задачу, связанную с расчетом химического реактора для производства хлороформа. В промышленности хлороформ обычно производят хлорированием метана или хлорметана.

Упрощенный (редуцированный) химический механизм превращения хлорметана в хлороформ включает 16 реагентов (исходных и конечных) и 21 реакцию, которые показаны в таблице ниже. В этой же таблице в двух крайних правых столбцах представлены значения для энергии активации E и предэкспоненциального фактора A, необходимые для задания температурной зависимости констант скоростей элементарных реакций в препроцессоре ANSYS CFX (или в другом газодинамическом пакете) при описании цепного механизма реакций.

reaction-mechanism_21_reaction

Более детально химический процесс образования хлороформа описывается 152 реакциями, в которых участвуют 38 реагентов (химических соединений). Описание этого механизма вы можете найти в работе Jimmy J. Shah  и Rodney O. Fox из Iowa State University: «Computational Fluid Dynamics Simulation of Chemical Reactors…» (1999).

Прежде чем перейти к постановке задачи в препроцессоре ANSYS CFX, вспомним несколько базовых понятий и законов химической кинетики, которые помогут вам лучше понять все наши дальнейшие действия.

  1. Что изучает химическая кинетика? Химическая кинетика изучает закономерности развития химических реакций.
  2. Почему описание даже относительно простого  химического процесса, например, горения водорода включает почти 40 элементарных реакций? Формально горение водорода выражается одной глобальной реакцией: 2H2 + O2 = 2H2O. Т. е. можно предположить, что в результате одного столкновения этих трех молекул (двух молекул водорода и одной молекулы кислорода) образуется две молекулы воды. С позиции теории вероятности такое событие является маловероятным (точнее невозможным). Поэтому реакция горения водорода протекает поэтапно (в несколько стадий) через промежуточное образование атомов водорода, кислорода и радикалов.  Реакции такого типа называются цепными или суммарными. Цепные реакции являются последовательностью большого числа элементарных реакций, выявлением и изучением которых занимаются химики и физики.
  3. Стехиометрическое уравнение (или уравнение реакции). Стехиометрическое уравнение представляет собой краткое выражение материального баланса реакции. Например, уравнение 2H2 + 1O2 = 2H2O означает, что всякий раз, как в процессе реакции затрачиваются две молекулы водорода, одновременно расходуется ровно одна молекула кислорода и образуются две молекулы воды. Коэффициенты перед реагентами называются стехиометрическими коэффициентами. Если реакция состоит из ряда стадий, то получается система из n стехиометрических уравнений.
  4. Закон Аррениуса. Для химических реакций характерна сильная нелинейная зависимость констант скорости k от температуры. Эта температурная зависимость описывается достаточно простой формулой — законом Аррениуса: k = Aexp(-Ea/RT).  Здесь Ea — это энергия активации (она имеет размерность [Дж/моль] и A — предэкспоненциальный фактор (или частотный фактор). Размерность A совпадает с размерностью k. Обратите внимание, что в ANSYS CFX  предэкспоненциальный фактор имеет размерность [time^-1 (mol m^-3)^(1-n)], где n — суммарный порядок реакции.
  5. Быстрая или медленная химия. В теории горения есть критерий подобия — число Дамкелера Dm, который определяет отношение скорости течения химической реакции к скорости физического процесса. Если Dm→0, то время протекания химической реакции намного больше характерного времени физического процесса. Т. е. можно не учитывать химические реакции и считать смесь газов химически инертной (как-бы «замороженной»). Другими словами, реакция развивается намного медленнее (среда не успевает измениться) по сравнению с изменениями гидродинамических параметров. Второй предельный случай противоположен первому (Dm→∞): в каждой точке потока очень быстро устанавливаются такие концентрации реагентов, которые соответствуют равновесному составу. Оценив значение числа Дамкелера, можно в первом приближении выбрать соответствующую модель горения: для «быстрой» химии — это модель EDM, для «медленной» химии — это модель FRC.

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