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

Определите 4 компонента, которые участвуют в реакции адсорбции: воздух (air), углекислый газ (co2), адсорбент (open_site), адсорбат – поглощенное вещество (co2_site). Предварительно вам необходимо описать физико-механические свойства каждого отдельного химического компонента.

2054122_2

Затем, используя панель Reactions, необходимо описать механизм реакции адсорбции. В нашем случае количество реагентов – 2 и продуктов реакции – 1. Также необходимо задать значения предэкспоненциального множителя, энергии активации и стехиометрических коэффициентов.

2054122_3

Кроме того, необходимо указать количество химических компонентов, адсорбирующихся на поверхности твердого тела. Для этого надо еще раз открыть панель Create/Edit Materials, перейти в раздел Mechanism и нажать на кнопку Edit. В появившейся панели Reaction Mechanism нажмите на кнопку Define – откроется панель Site Parameters. Отредактируйте значение параметра Total Number of Site Species.

2054122_5

2054122_6

Теперь можно перейти к заданию свойств пористого тела (Porous Zone), который мы используем для описания характеристик адсорбента. Необходимо определить значения вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления пористого тела, а также в закладке Reaction указать значение коэффициента «Surface and Volume ratio» (отношение площади поверхности пор к объему пористого тела).

2054122_7

2054122_8

Далее переходят к заданию настроек решателя, начальных условий (инициализации решения) и пр.

Результаты расчета процесса адсорбции показаны на рисунках ниже.

2054122_9_final

На этом все!
С уважением, Денис Хитрых.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *