خلاصه
همانند سازی عددی واکنش تغییر آب و گاز، در یک کاتالیزور صنعتی انجام می‌گیرد. تجزیه و تحلیل این سیستم روی تاثیرات چند جانبه انتقال جرم ذرات درونی و واکنش کاتالیزور متمرکز می شود. واکنش های سلول wk در تغییرات مرحله‌ای یک وضعیت جریان ورودی، الگوسازی می شود. مقدار داده های موجود مهم برای مقایسه حقیقی آزمایشات و همانند سازی ها، برای چندین واکنش ها در تغییرات مرحله‌ای غلظت مورد ارزیابی قرار می گیرد. سودمندی سلول wk در مقایسه با واکنشگرهای جریان، در بخشهای حساسیت واکنش های سیستم در رابطه با پارامترهای جریان ورودی مورد بحث قرار می گیرد. جریان نامتقارن کنش و واکنش ها، هنگامی که سلول wk بطور مشابه همانند یک عضو واکنشگر عمل می کند، به عنوان مناسب‌ترین جریان مورد ملاحظه قرار می گیرد. سیستم مربوطه سهمی گون با معادله های نسبی متفاوت توسط تکنیک ادغام روشهای خطوطی با یک زمان تطبیقی کامل و کنترل شبکه فضایی حل می شود.
مقدمه
کاتالیزورهای متخلخل در صنعت شیمیایی دارای استفاده و کاربرد وسیعی می باشند. واکنشها در یک سیستم منفذ (سوراخ ریز) انتقال داده می شوند و واکنش نشان می‌دهند، و محصولاتی که تشکیل می شوند خارج از یک گنداله (ساچمه pellet) کاتالیزور انتقال جرم انتجام می شوند. انتقال جرم چند جزئی (دارای چند جزء سازنده) از میان یک گنداله کاتالیزور نقل و انتقال می یابند و دارای ساختار منفذ داخلی بسیار پیچیده ای می باشند، بنابراین می بایست به شرح آنها بپردازیم. مدلهای متعدد و نظریه های متعددی انتشار یافته است که به رابطه بافت محکم اسفنجی با انتقال جرم و ویژگیهای واکنشی محیطهای اسفنجی می پردازد. این مدلها بر طبق فرضیات مربوط به ساختار داخلی محکم این بافت اسفنجی، می توانند به دو گروه طبقه بندی شوند. Wakao و [1] Smith، برای گنداله ها یا ساچمه هایی با یک سیستم منفذ دو سویه، مدل منفذ نامرتب (بی نظم) را توسعه دادند. آنها فرض نمودند که گنداله‌ها یا ساچمه ها شامل ذرات فشرده با منفذهای زیر می باشند. Mann و
[2] Thomson، مدل شده به منفذهای ریز بن بست وجود دارد. Johnson و [3] Stewart و Feng و [4] Stewart یک مدل جامد (محکم/ Solid) اسفنجی را بکار گرفتند که منفذها بطور تصادفی (نامنظم) جهتدار و به حالت زنجیری و به هم پیوسته می باشند. این مدلها به گروه مدلهای پیوستار یا زنجیره ای تعلق دارند. این مدلها دارای کاربرد آسان و کاملاً دقیق می باشند و این کاربرد آسان در صورتی می باشد که یک بافت محیط اسفنجی در طی واکنش های شیمیایی، دستخوش تغییرات مهم نشود. با این وجود، اگر تغییرات مهمی در اتصال یافتگی منفذها، در روزن گیری منفذها، و قطعه ها حاصل شود، این مدلها مناسب نخواهند بود.
در بکارگیری مدلهای مجزا (منفصل) براساس یک نمایش شبکه ای از محیط اسفنجی، در سالهای اخیر، پیشرفتهای مهمی حاصل شده است. در اصل، این مدلها، محیط اسفنجی را در یک شبکه هم ارز تصادفی (شبکه ای یا منفذهای نامرتب و تصادفی) که دارای منفذهای اتصال زنجیره‌ای است، طرح ریزی می کنند. هنگامی که این طرح ریزی انجام می شود، فرآیندهای جابجایی و واکنش به عنوان مثال شامل پدیده نشست و تراوش خواهند شد، که این پدیده ممکن است در یک روش بسیار واقع بینانه مورد مطالعه قرار بگیرد.
Hallewand و [6] Gladden برای مشکل نشست و نفوذ و واکنشی که بطور همزمان در کاتالیزورهای اسفنجی رخ می دهد، یک مدل شبکه ای منفذی تصادفی (نامرتب) را بکار بردند. Zhang و [7] Seaton پدیده نشست و واکنش در شبکه های منفذی را مورد مطالعه قرار دادند و کشف نمودند که وضعیتهایی تحت یک مدل پیوستار و زنجیره ای با نشست کارآمد برآورد شده در عدم یک واکنش، با شبیه سازی (همشکل سازی) شبکه منفذی در سازگاری بسیار خوبی قرار دارد. Rieckmann و [8,9] Keil، [10] Keil et al، [11] Keil، نتایجی از شبیه سازی انتقالهای (جابه‌جایی) گروهی دائمی و واکمنش های شیمیایی را در شبکه های کوبیک (مکعبی) سه بعدی تصادفی از مویین های اتصال یافته زنجیره ای، منتشر نمودند. آنها مدل گاز گردغباردار را [12] (DGM) برای شرح پدیده انتقال چند جزئی انتخاب نمودند.
این امر شناخته شده است که سلول (محفظه) wk (شکل 1) یک ابزار مناسب برای بررسی انتقال جرم در محیط های اسفنجی است. چندین مدل اصلاح یافته از این سلول (محفظه) برای ارزیابی ویژگیهای انتقال در محیطهای اسفنجی بکار برده میشود. این محفظه شامل دو محفظه یا اتاقک می باشد که توسط یک دیسک فنری از یکدیگر مجزا شده اند. گنداله‌ها یا ساچمه های استوانه‌ای بطور موازی در دیسکهای فلزی نصب و طراحی می شوند. جریان پیوسته هر دو محفظه ها روی یک سطح فشار مشابه عمل می کند. جابه‌جایی یا انتقال جرم در یک بعد فضایی رخ می دهد، چون محفظه‌های گنداله یا ساچمه توسط دیسک متالیک (فلزی) مسدود می شوند، یعنی جهت انتقال جرم بصورت عمودی است همانند شکل 1. قبل از شروع جریان حرکت، محفظه wk با گاز A همتراز و هم سطح می شود. در شروع جریان، مرحله غلظت یا تراکم در مدخل های (ورودیهای) محفظه تغییر می یابد با جایگزین شدن گاز A ، توسط گاز دیگر B انجام میشود ( برای مثال Ar ؛ مرحله تغییر ) . همانطوریکه این سیستم واکنش نشان می‌دهد، آزمایش و ترکیل جریان ورودی محفظه تجزیه شده و ثبت میشود. این امر آشکار است که محفظه Wk می‌تواند با سنجشهای واکنشهای کاتالیزور وفق داده شود (یا با سنجشهای جذب سطحی)، و در یک ساچمه یا کنداله اسفنجی تشکیل شود. تنها مشکل اندازه‌گیری‌های سنجشهای دما بالا، مشکل نشت در میان فضای ساچمه و واشر آب‌بندی است. اخیراً ، مشکل نست در محفظه WK ، توسط یک آب بندی گرافیت حلقه o در ساچمه کاتالیزور برطرف شده است.
هنگامی که محفظه طبق وضعیتهای غیر ثابت عمل می‌کند یا هنگامی که در محیط اسفنجی ، واکنشهای شیمیایی (جذب سطحی) رخ می‌دهد، جریانهای مولار در یک ترلیک گاز ذغال اجزای n ، قانون گراهام عمومی شده را برآورده نمی‌کنند.
و بنابراین، جابجایی گروهی همفشار یا ایزوباریک نمی‌باشد. برای نمونه
، نسبتهای جریانهای مولار ثابت و دائمی در حضور یک واکنش شیمیایی، توسط نسبتهای ضرایب استکیومتریک آن (Stiochiomtric) ارائه میشود. یک ضریب زاویه فشار کلی سبب یک مکانیزم دیگری از جابه جایی گروهی میشود، به عبارت دیگر یعنی ، نشت و تر اوش گازها همانند انتقال جرم به علت ضرایب ساختار (آرایش ) ؛ به عبارت دیگر، مدل انتقال جرم، باید کمک‌های جریان نشت و تراوش را مورد ملاحظه قرار دهد.
کاربرد مدلهای منفصل، نیازمند زمانهای محاسبه‌ای بسیار زیاد میباشد. در مطالعات مهندسی که مدل‌سازی‌های مفصل از رابطه‌های میان بافت محکم (جامد) اسفنجی و ویژگیهای جابه‌جایی یک شبکه منفدی مورد توجه ابتدایی و اصلی قرار نمی‌گیرد، بنابراین به نظر می‌رسد که مدلهای پیوستار و زنجیره‌ای ساده‌تر ، مفید‌تر باشند. برای نمونه، Serbezor و DGM, [IV-19] sotirchos را بکار گرفتند تا فرآیندهای دینامیک را در لایه‌های جذب سطحی شرح دهند. (جذب نوسان فشار). امروزه، سه مدل استاندارد برای شرح جابه‌جایی ترلیک یافته از ترکیبهای چند گانه گازدار قابل دسترس است. مدل DGM [12] . این مدلها بر اساس توصیفات اصلاح یافته [22] stafan-maxwell درباره نشت اند جزئی در منفذها و بر اساس معادله Darcy درباره نشت از منفذها، پایه‌ریزی شده‌اند.
اهداف این مدلها این است که همانندسازی یک واکنش واسطه ای نامتقابل (ناهمگون) را در یک کاتالیزور اسنفنجی، تحت وضعیتهای غیر ثابت اجرا نماید، و پدیده پیچیده را در داخل جسم منفذ توضیح دهند. همچنین بر اساس این همانند سازیها، وضعیتهای مناسب برای مقایسه آزمایش‌ها و همشکل‌سازی‌ها ( همانند سازیها) پیشنهاد خواهد شد، به نحوی که اجرای کار مدلهای منفذ کاتالیزور می‌تواند مورد ارزیابی قرار بگیرد. واکنش آب با مونواکسید کربن در یک کاتالیزور صنعتی بر مبنای مس (cu/z, ICI 52-1) ، به عنوان سیستم مدل بکار برده میشود.
مدل دینامیک جابه جایی گروهی همزمان و واکنش شیمیایی توسط معادله‌های مختلف مبتنی سهمی شکل تشکیل میشود این عمل همانند سازی نیازمند یک انتخاب بسیار دقیق از روش ادغام است. برای نمونه، اگر یک راه حل، ضرایب پرشیب‌دار در حوزه‌های قضایی نشان دهد، یا اینکه یک هم فاصله‌ای بسیار خوب را نشان دهد، منفذها در طی زمان ادغام، مجبور هستند یا اینکه بکار برده شوند و یا اینکه از لحاظ محل سازگاری حاصل نمایند . این امر را بسیار مطلوب است که یک روش کاملاً سازگاری را د اشته باشیم که و از طریق عمل با اهمیت انتخاب شبکه فضایی مناسب و مرحله زمانی مناسب، کاربر را آزاد نگه داریم. یک اجرا از چنین ادغام اخیر، در زمینه نتایج همانندسازی‌ها مورد بحث تر از خواهد گرفت.