管式反應器是化工行業(yè)中經(jīng)常使用的一種設備，用于幫助進行連續(xù)大規(guī)模的生產(chǎn)。通過模擬管式反應器的解離過程，可以對這些設備進行準確分析。在這篇文章中，我們通過對反應器等溫和非等溫情況下的模擬研究的比較，展示了 COMSOL 化學反應工程模塊的許多有用功能。您也可以在自己的仿真中使用這些功能。

管式反應器：化學工業(yè)中的一種常見設備

如果你觀察過管式反應器的內(nèi)部，就會發(fā)現(xiàn)反應物在高速流動并不斷進行反應。這些反應物在管道內(nèi)移動的過程中被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。由于生產(chǎn)過程是連續(xù)的，這些設備通?？梢杂行У貛椭瘜W和石油工業(yè)進行規(guī)模生產(chǎn)。

此外，管式反應器還被用在其他領(lǐng)域應用中，如發(fā)電廠和發(fā)動機的焚燒工藝中的廢氣處理。這種類型的反應器甚至可以用作藥物的提純，生產(chǎn)出價格更低的藥品。

為了設計出能有效地生產(chǎn)出盡可能多的產(chǎn)品的管式反應器，我們可以選擇多物理場仿真進行分析。本文，我們將使用 COMSOL Multiphysics 多物理場仿真軟件建立一個精確的反應器模型來研究氣相解離過程。在下一節(jié)，我們將分享一個用化學反應工程模塊建模的例子。示例中用來求解這個模型的許多關(guān)鍵技術(shù)都可以應用在其他化學反應工程模擬中。

模擬解離過程

我們從一個旋轉(zhuǎn)對稱的模型開始對管式反應器進行分析。由于反應器的形狀規(guī)則，因此模型使用了一個映射或結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。模型中使用了層流 和濃物質(zhì)傳遞 接口，并設置了相關(guān)邊界條件。

使用這個模型我們能夠重點研究氣相解離過程。在這個過程中，A 物質(zhì)發(fā)生反應并形成產(chǎn)物 B。每 1 摩爾 A 反應后會產(chǎn)生 2 摩爾 B，使混合氣體的體積發(fā)生膨脹。由于密度的變化，當混合物在反應器中移動時，氣體的速度會增加，這種情況我們可以用可壓縮的納維-斯托克斯方程來模擬。

圖示顯示了管式反應器中的解離過程。

在解離反應中，混合物的成分發(fā)生了變化。一開始在入口處是純 A，但在出口處變?yōu)?A 和 B 的混合物，成為一個多組分系統(tǒng)。當處理像這樣一個濃的多組分混合物時，需要考慮到所有可能的相互作用。在這個案例中，我們使用了濃物質(zhì)傳遞 接口和 Maxwell-Stefan 或混合平均擴散方程來描述所有這些成分之間的相互作用。

此外，根據(jù)理想氣體定律，密度的變化取決于壓力、溫度和成分。在濃物質(zhì)傳遞 接口中，關(guān)于密度的 “理想氣體 “選項將自動考慮所有這些因素。層流 接口描述了考慮密度變化的流體的動量平衡和連續(xù)性。

在模型中，B 的生產(chǎn)速度取決于成分和溫度。然而，如果假設氣體是等溫的，那么該速率將只隨成分變化。我們將通過比較等溫研究和非等溫研究（同時考慮成分和溫度）來看看這對結(jié)果有什么影響。

比較等溫和非等溫研究

管式反應器的等溫研究求解了可壓縮的 Navier-Stokes 方程和 Maxwell-Stefan 對流和傳導方程的耦合模型。該模型會在非等溫情況下進行擴展，為此我們將增加流體傳熱 接口和能量平衡方程來模擬溫度變化的影響。

在等溫情況下溫度保持在 473K 不變，而在非等溫情況下溫度會發(fā)生變化。對于后者，氣體在 293K（室溫）的溫度下進入反應器，反應器壁則被加熱到 473K，所以在反應過程中，溫度會逐漸升高。因此，這兩個模型之間的一個主要區(qū)別在于它們?nèi)绾翁幚頊囟取?/p>

這種溫度上的差異會影響到研究的其他方面。例如，我們仔細看一下速度的大小。當對以上兩種情形進行比較時，可以看到，由于反應過程中混合氣體的體積擴大，速度沿Z軸增加。然而，在非等溫情況下，速度略小。這是因為非等溫情況下的溫度較低，因此反應速率也較低。

我們還對兩項研究中物質(zhì) B 的質(zhì)量分數(shù)進行了比較。比較下面兩副圖可以發(fā)現(xiàn)，對于等溫模型，在管子表面附近的物質(zhì) B 的質(zhì)量分數(shù)比中心區(qū)域要高。這是由于靠近側(cè)表面的對流速度較低。對于非等溫模型，在靠近側(cè)表面的區(qū)域質(zhì)量分數(shù)也較高，但總體而言，質(zhì)量分數(shù)低于等溫情況。在觀察出口處的物質(zhì) B 的平均質(zhì)量分數(shù)時，這種差異很明顯，等溫情況下是 64.1%，非等溫情況下是 26.4%。

比較等溫情況（上）和非等溫情況（下）下物質(zhì) B 的質(zhì)量分數(shù)。

在等溫研究中，出口處的平均轉(zhuǎn)化率為 64.4%，非等溫研究中為 24.2%。這進一步顯示了溫度對管式反應器性能的影響。從這些研究中，我們可以看到，溫度曲線對反應器的反應和轉(zhuǎn)化率有很大影響。

該模型可用于分析處于設計階段的管式反應器，以及已經(jīng)用于生產(chǎn)應用中的反應器的反應速率。您也可以在自己的模擬中應用這篇文章中提到的許多建模技術(shù)，包括考慮多組分擴散和用映射網(wǎng)格離散細長幾何體。