在COMSOL中分析管式反應器

管式反應器是化工行業中經常使用的一種設備，用于幫助進行連續大規模的生產。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：化學工業中的一種常見設備

如果你觀察過管式反應器的內部，就會發現反應物在高速流動并不斷進行反應。這些反應物在管道內移動的過程中被轉化為產品。由于生產過程是連續的，這些設備通?？梢杂行У貛椭瘜W和石油工業進行規模生產。

此外，管式反應器還被用在其他領域應用中，如發電廠和發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，生產出價格更低的藥品。

為了設計出能有效地生產出盡可能多的產品的管式反應器，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，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鍵技術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則，因此模型使用了一個映射或結構化的網格。模型中使用了層流 和濃物質傳遞 接口，并設置了相關邊界條件。

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 物質發生反應并形成產物 B。每 1 摩爾 A 反應后會產生 2 摩爾 B，使混合氣體的體積發生膨脹。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，混合物的成分發生了變化。一開始在入口處是純 A，但在出口處變為 A 和 B 的混合物，成為一個多組分系統。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。在濃物質傳遞 接口中，關于密度的 “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性。

在模型中，B 的生產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別在于它們如何處理溫度。

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 B 的質量分數進行了比較。比較下面兩副圖可以發現，對于等溫模型，在管子表面附近的物質 B 的質量分數比中心區域要高。這是由于靠近側表面的對流速度較低。對于非等溫模型，在靠近側表面的區域質量分數也較高，但總體而言，質量分數低于等溫情況。在觀察出口處的物質 B 的平均質量分數時，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 B 的質量分數。

在等溫研究中，出口處的平均轉化率為 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，以及已經用于生產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，包括考慮多組分擴散和用映射網格離散細長幾何體。