Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.
Рост вычислительных мощностей позволил улучшить возможности моделирования и симуляции химических процессов. Вычислительная гидродинамика (CFD) является полезным инструментом для изучения производительности процесса после геометрических и эксплуатационных изменений. CFD подходит для определения гидродинамики внутри процессов со сложной геометрией, где происходят химические реакции, тепло- и массообмен. В последние годы CFD привлекает большое внимание исследователей. В эту книгу вошли 11 рукописей, опубликованных в различных журналах MDPI.
Аннотация Глава 1. Водород может быть перспективным исходным топливом и часто рассматривается как чистый энергоноситель, поскольку может быть получен из этанола. Использование этанола имеет ряд преимуществ, поскольку он является возобновляемым сырьем, легко транспортируется, биоразлагается, обладает низкой токсичностью, содержит большое количество водорода, его легко хранить и обрабатывать. Реформинг этанола паром происходит при относительно низких температурах, по сравнению с другими углеводородными видами топлива, и был широко изучен благодаря высокому выходу, обеспечиваемому при образовании водорода. В данной работе была разработана новая модель вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования парового риформинга этанола (ESR). Модель системы риформинга состоит из горелки для сжигания этанола и реактора с каталитическим слоем. Жидкий этанол сжигается в топке, затем радиационный тепловой поток от горелки передается в реактор с каталитическим слоем для преобразования паровой смеси этанола в водород и углекислый газ. Предлагаемая расчетная модель состоит из двух этапов — моделирования этаноловой горелки с помощью программы Fire Dynamics Simulator (FDS) (версия 5.0) и многофизического моделирования процесса парового риформинга, происходящего внутри риформера. В данной работе использовалось мультифизическое программное обеспечение COMSOL (версия 4.3b). В нем одновременно решаются уравнения течения жидкости, теплообмена, диффузии и кинетики химических реакций, а также проводится структурный анализ. Показано, что скорость тепловыделения, создаваемая этаноловой горелкой, может обеспечить необходимый тепловой поток, требуемый для поддержания процесса риформинга. Установлено, что массовые доли водорода и диоксида углерода увеличиваются вдоль оси риформинга. Массовая доля водорода увеличивается при увеличении радиационного теплового потока. Показано, что напряжения фон Мизеса увеличиваются с ростом теплового потока. Также рассмотрены вопросы безопасности, касающиеся структурной целостности стальной оболочки. Данная работа ясно показывает, что при использовании этанола, который имеет низкую температуру превращения, снижение структурной прочности стальной трубы незначительно. Численные результаты ясно показывают, что при нормальных условиях риформинга этанола (температура стали составляет около 600 °C или 1112 °F) время разрыва стального сплава HK-40 значительно увеличивается. Для данного случая время разрыва превышает 100 000 ч (более 11,4 лет).
[1] CFD моделирование системы парового риформинга этанола для получения водорода. ChemEngineering 2018, 2, 34. https://lnkd.in/dffFk4fs
Аннотация Глава 2. Различные виды взрывов происходят за счет внутренней энергии, накопленной в сжатом газе или перегретой жидкости. Известным примером такого взрыва является разрыв сосуда с веществом, сжиженным под давлением, известный как взрыв кипящей жидкости с расширяющимся паром (BLEVE). Горячая авария BLEVE вызывается главным образом прямым нагревом (пожар в бассейне или струйный пожар) стальной оболочки резервуара со стороны паров до температуры свыше 400 °C. Теплоизоляция вокруг резервуара может значительно снизить и замедлить чрезмерный нагрев корпуса резервуара во время пожара. Это позволит пожарным получить достаточно времени, чтобы добраться до места аварии и охладить резервуар LPG (сжиженный нефтяной газ), чтобы избежать BLEVE, потушить пожар или эвакуировать людей, находящихся в непосредственной близости от места аварии. Предложенный алгоритм рассматривает несколько аспектов аварии BLEVE и ее смягчения: Вычислительное гидродинамическое (CFD) моделирование струйного пожара с помощью программного обеспечения Fire Dynamics Simulator (FDS) с использованием моделирования больших вихрей (LES); расчет конвективных и радиационных тепловых потоков с использованием теории пожара набегающей струи; проведение термохимического анализа и анализа теплообмена стеклотканого винилэфирного покрытия емкости с помощью программного обеспечения FDS (версия 5) и COMSOL Multiphysics (версия 4.3b) на этапе нагрева композита и расчет периода времени, необходимого для испарения сжиженного пропана, с использованием первого и второго законов термодинамики.
[2] CFD-моделирование и смягчение последствий взрыва кипящей жидкости с расширяющимся паром (BLEVE), вызванного пожаром в струе. ChemEngineering 2019, 3, 1. https://www.mdpi.com/2305-7084/3/1/1
Аннотация Глава 3. По предложению Министерства энергетики США левулиновая кислота (ЛК) вошла в число «Топ-10» строительных блоков для будущих биоперерабатывающих заводов. Она считается одной из наиболее важных молекул-платформ для производства тонких химических веществ и топлива благодаря своей совместимости с существующими процессами, рыночной экономичности и способности служить платформой для синтеза важных производных. Гидрогенизация LA с получением γ-валеролактона (ГВЛ) является активной областью исследований из-за потенциала ГВЛ для использования в качестве самостоятельного биотоплива и для последующей трансформации в углеводородное топливо. В данной статье представлена новая конструкция простого, экономичного и безопасного реактора гидрогенизации для превращения левулиновой кислоты в γ-валеролактон (ГВЛ) с использованием органической жидкости с высокой температурой кипения. Реактор гидрогенизации состоит из источника нагрева — органической жидкости (называемой «DOWTHERM A» или «Термекс») и каталитического реактора. Преимущества жидкостей с высокой температурой кипения, а также достижения в технологиях гидрокрекинга и риформинга, обусловленные развитием нефтегазовой промышленности, делают органическую концепцию более подходящей и безопасной (в металлургической промышленности хорошо известно, что вода, контактирующая с жидким металлом, представляет опасность взрыва пара) для нагрева реактора гидрогенизации. В работе использовалось мультифизическое программное обеспечение COMSOL версии 4.3b, в котором одновременно решаются уравнения неразрывности, Навье-Стокса (течение жидкости), энергии (теплопередача) и диффузии с кинетикой химических реакций. Было показано, что тепловой поток, обеспечиваемый органической жидкостью DOWTHERM A, может обеспечить необходимый тепловой поток, требуемый для поддержания процесса гидрогенизации. Было установлено, что массовые доли водорода и левулиновой кислоты уменьшаются вдоль оси реактора. Массовая доля ГВЛ увеличивалась вдоль оси реактора.
[3] CFD Design of Hydrogenation Reactor for Transformation of Levulinic Acid to γ-Valerolactone (GVL) by using High Boiling Point Organic Fluids. ChemEngineering 2019, 3, 32. https://lnkd.in/daHnvenT
Аннотация Глава 4: Разработан усовершенствованный алгоритм для анализа эффективности процесса повторного кипения сырой нефти, протекающего внутри труб ребойлера. Предлагаемая модель состоит из гептановой горелки и трубного массива. Тепловой поток, создаваемый горелкой, передается сырой нефти, протекающей внутри трубы. Расчетная модель состоит из двух этапов: моделирования пожара с помощью программы Fire Dynamics Simulator (FDS) версии 5.0 и расчета зародышевого кипения сырой нефти. Код FDS разработан на основе CFD (Computational Fluid Dynamics) пожарного нагревателя. Теплофизические свойства (такие как: теплопроводность, теплоемкость, поверхностное натяжение, вязкость) сырой нефти оценивались с помощью эмпирических корреляций. Теплопередача испаряющейся двухфазной смеси сырой нефти, происходящая за счет образования пузырьков на стенке (нуклеативное кипение), была рассчитана с помощью корреляции Чена. Предполагается, что общий конвективный коэффициент теплоотдачи складывается из конвективного коэффициента нуклеативного кипения и вынужденного турбулентного конвективного коэффициента. Первый рассчитывается по эмпирическому уравнению Форстера-Зубера. Второй рассчитывается по соотношению Диттуса и Бёлтера. Для проверки коэффициента теплоотдачи при зарождении кипения было проведено сравнение с коэффициентом конвекции при зарождении кипения, полученным по уравнению Мостинского. Относительная погрешность между коэффициентами конвективного теплообмена при зарождении кипения составляет 10,5%. Численное решение FDS было проведено с использованием метода моделирования больших вихрей (LES). В дальнейшем эта работа была расширена за счет включения аспектов структурной целостности металлической трубы ребойлера с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics. Было установлено, что расчетное напряжение меньше предела прочности на растяжение стального сплава AISI 310.
[4] CFD моделирование принудительных рециркуляционных ребойлеров с подогревом. Процессы 2020, 8, 145. https://lnkd.in/de3CuY_J
Аннотация Глава 5: Нефтяной кокс (петрококс) представляет собой богатое углеродом твердое вещество черного цвета. Несмотря на экологические риски, связанные с эксплуатацией нефтяного кокса, он в основном применяется в качестве топлива для кипения и сжигания в энергетике и на заводах по производству цемента. Он рассматривается как перспективная замена угольным электростанциям благодаря более высокой теплотворной способности, содержанию углерода и низкой зольности. В данном исследовании была разработана расчетная модель парового риформинга метана с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Система производства водорода состоит из горелки для сжигания нефтяного кокса и реактора со слоем катализатора. Тепло, выделяемое при сгорании нефтяного кокса, используется для конвективного и радиационного нагрева слоя катализатора для поддержания реакции парового риформинга метана в водород и монооксид углерода. Данный вычислительный алгоритм состоит из трех этапов — моделирования горения нефтяного кокса с помощью программы Fire Dynamics Simulator (FDS) в сочетании с тепловым структурным анализом футеровки горелки и мультифизическим расчетом процесса парового риформинга метана (ПРМ), происходящего в слое катализатора. Структурный анализ футеровки горелки был проведен путем объединения решений уравнения теплопроводности, уравнения Дарси потока пара в пористой среде и уравнения структурной механики. Для подтверждения температуры газообразного топлива и мольной доли монооксида углерода, полученных в результате расчета FDS, было проведено сравнение с литературными результатами. Максимальная температура, полученная в результате моделирования горения, составила около 1440 °C. Рассчитанная температура схожа с приведенной температурой, которая также близка к 1400 °C. Максимальная мольная доля диоксида углерода составила 15,0%. Мультифизическое программное обеспечение COMSOL одновременно решает уравнения движения жидкости в среде катализатора, тепла и массы с уравнениями переноса кинетики химических реакций в реакторе парового риформинга метана с каталитическим слоем. Конверсия метана составляет около 27 %. Пар и метан распадаются в реакторе с каталитическим слоем под одинаковым углом. Аналогичные значения были приведены в литературе для температуры МРС 510 °C. Массовая доля водорода увеличилась на 98,4 %.
[5] Мультифизический дизайн горелки Pet-Coke и производство водорода с использованием системы парового риформинга метана. Clean Technol. 2021, 3, 260-287. https://lnkd.in/dZKBgmcC
Аннотация Глава 6: В данной работе был проведен термодинамический анализ органического цикла Ранкина (ORC). Горелка нефтяного кокса обеспечивала необходимый тепловой поток для бутанового котла. Моделирование сжигания нефтяного кокса проводилось с помощью программы Fire Dynamics Simulator (FDS) версии 5.0. Валидация результатов расчетов FDS проводилась путем сравнения температуры газовой смеси и CO2 мольных долей с литературными данными. Было обнаружено, что они схожи с теми, о которых сообщается в литературе. В рамках данной работы был проведен анализ прогнозирования времени с помощью искусственного интеллекта (ИИ). Алгоритм ИИ был применен к показаниям датчиков температуры и сажи. Для прогнозирования временного поведения показаний термопар были использованы две библиотеки Python: Статистическая модель-ARIMA (Auto-Regressive Integrated Moving Average) и библиотека глубокого обучения KERAS. ARIMA — это класс моделей, которые отражают набор различных стандартных временных структур в данных временных рядов. Keras — это библиотека на языке python, применяемая для глубокого обучения и работающая поверх Tensor-Flow. Она была разработана для того, чтобы как можно быстрее и проще создавать модели глубокого обучения для исследований и разработок. Точность модели и график потерь модели показывают сопоставимую производительность (обучение и тестирование). В качестве рабочей жидкости в ORC использовался бутан. Бутан считается одной из лучших чистых жидкостей с точки зрения эффективности использования энергии. Он имеет низкий удельный радиационный форсинг (RF) по сравнению с этаном и пропаном. Кроме того, он обладает нулевым потенциалом разрушения озонового слоя и низким потенциалом глобального потепления. Он считается легковоспламеняющимся, высокостабильным и не подверженным коррозии. Термодинамические свойства бутана, необходимые для оценки тепловой мощности, были рассчитаны с помощью онлайн-термодинамического калькулятора ASIMPTOTE. Было показано, что рассчитанная чистая мощность ORC-цикла схожа с чистой мощностью, указанной в литературе (относительная погрешность 4,8%). Предложенная ORC-энергетическая система подчиняется первому и второму законам термодинамики. Тепловой КПД цикла составляет 20,4%.
[6] Термодинамический расчет органического цикла Ранкина (ORC) на основе сжигания нефтяного кокса. ChemEngineering 2021, 5, 37. https://lnkd.in/dX7czfm7
Аннотация Глава 7: FAME (биодизель) — это альтернативное топливо, которое может быть получено из растительных масел. В настоящее время растет интерес к исследованию и разработке возобновляемых источников энергии. Одним из возможных решений является биотопливо, пригодное для использования в двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных двигателях), производимое из биомассы, богатой жирами и маслами. В данной статье представлена новая и более безопасная конструкция реактора этерификации для получения FAME (биодизеля) с использованием жидкости с высокой температурой кипения (фенил-нафталина). Проведено CFD-моделирование производства биодизеля с использованием ионной жидкости метил-имидазолия гидрогенсульфата. Ионные жидкости (ИЖ) состоят из анионов и катионов, которые существуют как жидкости при относительно низких температурах. Они обладают многими преимуществами, такими как химическая и термическая стабильность, низкая воспламеняемость и низкое давление паров. В данной работе ионные жидкости были применены в органических реакциях в качестве растворителей и катализаторов реакции этерификации. Высокие качества жидкостей с высокой температурой кипения, а также достижения в нефтегазовой промышленности делают органическую концепцию более подходящей и безопасной (вода, контактирующая с жидким металлом, может вызвать опасность взрыва пара) для нагрева реактора этерификации. Был использован код COMSOL Multiphysics, который одновременно решает уравнения непрерывности, течения жидкости, теплопередачи и диффузии с кинетикой химических реакций. Было показано, что тепловой поток может обеспечить необходимый тепловой поток, требуемый для поддержания процесса этерификации. Было обнаружено, что массовые доли метанола и олеиновой кислоты уменьшаются вдоль оси реактора. Массовая доля FAME увеличивается вдоль оси реактора. Максимальный выход биодизеля, полученный в реакторе этерификации, составил 86%. Это значение очень похоже на экспериментальные результаты, полученные Elsheikh et al.
[7] Термогидравлический и термохимический дизайн реактора этерификации метилового эфира жирных кислот (биодизеля) путем нагрева фенил-нафталиновой жидкостью с высокой температурой кипения. Fluids 2022, 7, 93. https://lnkd.in/d47S9GRi
Аннотация Глава 8: Моделирование больших вихрей (LES) и термодинамические исследования были проведены для компонентов органического цикла Ранкина (ORC) (котел, испаритель, турбина, насос и конденсатор). Горелка на нефтяном коксе обеспечивала тепловой поток, необходимый для испарителя бутана. В ORC была использована жидкость с высокой температурой кипения (фенил-нафталин). Высококипящая жидкость более безопасна (можно предотвратить опасность взрыва пара) для нагрева потока бутана. Она обладает наилучшей энергетической эффективностью. Она не подвержена коррозии, очень стабильна и невоспламеняема. Для моделирования горения нефтяного кокса и расчета скорости тепловыделения (HRR) была использована программа Fire Dynamics Simulator (FDS). Максимальная температура 2-фенилнафталина, протекающего в котле, намного меньше его температуры кипения (600 K). Энтальпия, энтропия и удельный объем, необходимые для оценки тепловых расходов и мощности, были рассчитаны с помощью термодинамического кода THERMOPTIM. Предложенная конструкция ORC является более безопасной. Это объясняется тем, что легковоспламеняющийся бутан отделен от пламени, образующегося в горелке нефтяного кокса. Предложенный ORC подчиняется двум фундаментальным законам термодинамики. Расчетная чистая мощность составляет 3260 кВт. Это хорошо согласуется с данными по чистой мощности, приведенными в литературе. Термический КПД ORC составляет 18,0%.
[8] Моделирование больших вихрей и термодинамический расчет органического цикла Ранкина на основе рабочей жидкости бутана и системы жидкостного нагрева фенил-нафталина с высокой точкой кипения. Энтропия 2022, 24, 1461. https://lnkd.in/dZrkKhaK
Аннотация Глава 9: Ингаляционная анестезия подается через систему вспомогательной вентиляции. В основном он состоит из ксенона или закиси азота, галогенированных углеводородов (ГУВ) и кислорода. Чтобы снизить стоимость анестезирующих веществ, оставшиеся в выдохе анестетики перерабатываются и используются повторно, чтобы свести к минимуму количество свежего анестетика. Смесь гидроксидов щелочи (так называемая содовая известь) используется для удаления CO2 от выдыхаемого воздуха. Однако при реакции содовой извести с галогенированными углеводородами могут образовываться токсичные соединения. Ионные жидкости (ИЖ) обладают рядом преимуществ, таких как нелетучесть, функциональность, высокая растворимость углерода и низкая потребность в энергии для регенерации. В рамках данного исследования было проведено численное изучение процесса удаления диоксида углерода с помощью ионных жидкостей. Применялось мультифизическое конечно-элементное программное обеспечение COMSOL. Оно решает уравнения неразрывности, течения жидкости и диффузии. Разработан новый алгоритм расчета поглощения инфракрасного (ИК) излучения CO2. Его коэффициент поглощения зависит от длины волны. Коэффициент поглощения газообразных веществ был рассчитан с использованием спектральной базы данных HITRAN. Было установлено, что CO2 почти полностью поглощается 1-этил-3-метилимидазолия дицианамидом ([emim][DCA]) ионной жидкостью после периода 1000 с. Показано, что коэффициент поглощения CO2 можно пренебречь в интервале ниже 1,565 мкм, а затем при 1,6 мкм она возрастает до того же порядка, что и для CO. Таким образом, можно обнаружить CO2 , применяя лазерный диод, способный пропускать ИК-излучение с длиной волны 1,6 мкм. Этот промежуток времени зависит от коэффициента диффузии CO2 в мембране и в ионной жидкости.
[9] Численное исследование удаления CO2 из системы ингаляционной анестезии с помощью мембраны на основе газоионной жидкости. ChemEngineering 2023, 7, 60. https://lnkd.in/dqY7Fu9w
Аннотация Глава 10: Сероводород (H2S) считается токсичным и коррозионным газом, который часто встречается в природном газе, сырой нефти и других видах ископаемого топлива. Этот коррозионный газ может привести к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН). Это явление вызывается совместным воздействием растягивающего напряжения и коррозионной среды. Это может привести к внезапному разрушению обычно вязких металлических сплавов, особенно при повышенной температуре. Десульфуризация — это процесс удаления H2S из этих видов топлива, чтобы уменьшить их вредное воздействие на окружающую среду и здоровье. Ионные жидкости (ИЖ) показали большой потенциал для применения в качестве жидких абсорбентов для H2S из-за их преимуществ, таких как нелетучесть, функциональность, высокая растворимость углерода и низкая потребность в энергии для регенерации. Предлагаемая система извлечения сероводорода состоит из трубки, мембраны и оболочки. Ионные жидкости на основе 1-этил-3-метилимидазолия (эмим) с бис-(трифторметил) сульфонилимид (NTf2) анионом были выбраны из-за их высокой H2S коэффициент диффузии. В этой разработке были использованы усовершенствованные мембраны на основе функционализированного оксида графена (GO). В этом исследовании H2Численно изучено извлечение S с помощью ионных жидкостей. Для решения уравнений неразрывности, турбулентного течения жидкости (модель k-ε) и переходной диффузии использовался конечно-элементный и мультифизический код COMSOL. Для малых временных интервалов наблюдается резкий градиент в H2S профиль концентрации внутри оболочечного сечения. Это объясняется тем, что коэффициент диффузии H2S в ионной жидкости очень мала, а сечение оболочки намного толще, чем у мембраны. Было установлено, что H2S практически полностью поглощается ионными жидкостями через время 30 000 с.
[10] CFD-моделирование десульфурации сероводорода (H2S) с использованием ионных жидкостей и мембраны из оксида графена. Топливо 2023, 4, 363-375. https://lnkd.in/dniBwT98
Аннотация Глава 11: Олефины — важнейшие строительные блоки для нефтехимической промышленности, служащие сырьем для производства различных продуктов, таких как пластмассы, синтетические волокна, моющие средства, растворители и другие химические вещества. При FCC тяжелое нефтяное сырье подается в установку каталитического крекинга, где оно смешивается с катализатором. Катализатор способствует расщеплению крупных углеводородных молекул на более мелкие фрагменты, включая олефины, такие как пропилен и этилен. Эти реакции полимеризации происходят при высоких температурах. Они требуют максимально быстрого отвода тепла, чтобы контролировать температуру в реакторе и избежать «горячих точек» в регенераторе или локальных реакций окисления (а также во избежание разрыва стальной обшивки регенератора при ползучести). Охлаждение поверхности облицовки регенератора может быть достигнуто за счет попадания капель воды (спрея), выбрасываемых из распылительной форсунки. Распылительное охлаждение может обеспечивать равномерное охлаждение и выдерживать высокие тепловые потоки как в одной, так и в двух фазах. В данном исследовании представлен теплогидравлический расчет систем распылительного охлаждения регенераторов. В рамках данного исследования было использовано программное обеспечение Fire Dynamics Simulator (FDS) для моделирования температурного поля и массовой доли водяного пара. Для расчета температурного поля внутри облицовки регенератора использовался конечно-элементный код COMSOL Multiphysics. Расчетные температуры поверхности и конвективный коэффициент теплопередачи, полученные с помощью программы FDS, были успешно проверены на соответствие результатам численного моделирования в COMSOL и предыдущим результатам в литературе. Численное моделирование проводилось для двух случаев. Первый случай был проведен на расстоянии 0,5 м, а второй — на расстоянии 0,2 м. Было проведено исследование чувствительности сетки для модели FDS. Численное интегрирование проводилось по времени для расчета средних температур. Разница между этими четырьмя средними температурами, рассчитанными с использованием разных сеток, составляет менее 7,4%. Рассчитанные температуры поверхности и конвективный коэффициент теплопередачи были успешно проверены в сравнении с результатами численных расчетов в COMSOL и предыдущими исследованиями. Было показано, что расчетные температуры снижаются во втором случае. Система распыления воды охлаждает стальную стену более эффективно по мере приближения системы распыления воды к стальной облицовке.
[11] Теплогидравлическое моделирование системы распыления воды для регенератора охлаждающей жидкости каталитического крекинга (FCC). Динамика 2023, 3, 737-749. https://lnkd.in/d9hZxHEj.
Эта книга доступна на следующем веб-сайте:
Join the forum for Designers!
Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!
Join the Forum NowShare, learn and grow with the best professionals in the industry.