توضیحات

پروژه شبیه سازی راکتور لوله ای پلیمریزاسیون در نرم افزار کامسول (COMSOL)

Simulation of Polymerization Tubular Reactor in COMSOL Software

راکتور:

واکنش های شیمیایی مربوط به صنایع شیمیایی، پتروشیمی و نفتی در تجهیزاتی به نام راکتور(Reactor) انجام می شوند. در این راکتورها با ایجاد شرایط تحت کنترل سعی می گردد تا محصولات مطلوب و یا اهداف واکنش در شرایط موردنظر به دست آیند. برای استفاده در طیف وسیعی از شرایط عملیاتی چه از نظر ویژگی های شیمیایی گونه ها (واکنش دهنده ها و محصولات) و چه از نظر شرایط فیزیکی تحت عملیات، راکتورهای بسیار متنوعی وجود دارند. فاکتور های عمده تاثیرگذار بر انتخاب راکتور این ها هستند: تعداد فازها، نیاز یا عدم نیاز به سیستم های آشفته، رسیدن و حفظ و نگهداری دما و فشار برای واکنش و مقیاس تولید که مدل عملیاتی پیوسته یا ناپیوسته را مشخص می کند. راکتور دستگاهی است که در آن فرآیندهای بیوشیمیایی و یا بیولوژیکی تحت شرایط محیطی کنترل شده (دما، pH، فشار، اختلاط، هوادهی، انتقال اکسیژن و غیره) انجام می شود. راکتورها درواقع تجهیزاتی هستند که در واحدهای کوچک آزمایشگاهی از جنس شیشه و درواحدهای بزرگ صنعتی معمولا از جنس استیل ساخته می شوند.

راکتور لوله ای(Tubular Reactor):

روش کار راکتور لوله‌ای(tubular reactor) این‌گونه‌ است‌ که‌ مواد واکنش‌دهنده(reactants) به‌صورت محلول با استفاده از یک‌ پمپ‌ وارد راکتور شده و پس‌ از طی‌ طول راکتور از انتهای‌ آن خارج می‌شوند. مدت زمانی‌ که‌ محلول در راکتور است‌ باعث‌ تبدیل‌ مواد اولیه به‌ محصولات می‌شود. پس‌ هرچقدر زمان اقامت‌ محلول(residence time) موردنظر در راکتور لوله‌ای‌ بیشتر باشد، می‌توان به‌ مقدار بیشتر محصولات دست‌ یافت‌. بدیهی‌ است‌ که‌ هرچقدر جریان آرامتر باشد، زمان اقامت‌ محلول بیشتر است‌. عوامل‌ دیگری‌ مثل‌ دما، غلظت‌ مواد اولیه‌ و شعاع راکتور وجود دارد که‌ بر روی‌ مقدار محصولات تأثیر می‌گذارند.

تمام واحدهای‌ صنعتی‌ شیمیایی‌ جهت‌ تبدیل‌ مواد اولیه‌ ارزان قیمت‌ به‌ محصولات ارزشمند طراحی‌ می‌شوند که‌ این‌ تبدیل‌ معمولاً در راکتور انجام می‌گیرد. این‌ دستگاه ها باید توانایی‌ انجام چندین‌ کار مختلف‌ همزمان را داشته‌ باشند. راکتورهای‌ مختلفی‌ در صنعت‌ وجود دارد که‌ از جمله‌ مهم‌ترین‌ نوع آن می‌توان به‌ راکتورهای‌ لوله‌ای‌ اشاره کرد. در راکتورهای‌ لوله‌ای‌ مزیت‌های‌ زیادی‌ از قبیل‌ کارایی‌ بالاتر در واحد حجم‌ راکتور، عملیات ساده تر و کیفیت‌ محصول یکنواخت‌تر، وجود دارد.

نرم افزار کامسول(COMSOL):

کامسول یک مجموعه کامل شبیه سازی است که معادلات دیفرانسیل سیستم های غیر خطی را توسط مشتق هـای جزئی به روش المان محدود(FEM) در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل می کند. همچنین این برنامه یک رابطه گسترده با نرم افزار MATLAB ارائه می دهد و ابزارهای آن در برنامه ریزی پیش پردازش و پس پردازش امکانات خوبی را فراهم می آورد. تا پیش از سال ۲۰۰۵ نام این نرم افزار، FEMLAB بوده است. شرکت کامسول در جولای ۱۹۸۶ در استکهلم سوئد تأسیس شد. بعدها پیشرفت کرد و دفاتری در برزیل، چین، دانمارک، فنلاند، فرانسه، آلمان، هلند، نروژ، هند، ایتالیا، سوئیس، بریتانیا و آمریکا راه اندازی کرد. سوانته لیتمارک و فرهاد سعیدی این شرکت را در سال ۱۹۸۶ تأسیس کردند. اولین نسخه از برنامه COMSOL Multiphysics در سال ۱۹۹۸ منتشـر شد و در آن زمان فقط چنـد مـاژول داشت. بسـتـه نـرم افـزاری برمبنای سیستم عامـل هـای مختلـف نظیـر Linux ،Mac ،Windows و Unix نوشته شده است. به علاوه راحتی کار برای کاربر را مدنظر قرار داده است. این نرم افزار می تواند در حضور چالش هایی نظیر میدان های الکترومغناطیسی، کشش، دینامیک سیالات و دینامیک گاز به خوبی رهگشا باشد. کامسول همچنین فرصتی برای تحلیل و شبیه سازی ساختار نمونه و قالب یک فرمول ریاضیات(در فرم معادلات) و فیزیکی(انتخاب مدل فیزیکی، به عنوان مثال مدل فرایند انتشار) را به کاربر می دهد. بدیهی است در هر مورد سیستم معادلات حل خواهد شد، تفاوت فقط در امکان استفاده از سیستم های فیزیکی و جسمی و واحدها نهفته است. به اصطلاح حالت فیزیکی، می توان از معادلات از پیش تعریـف شـده بـرای اکثر پدیده های انجام گرفته در علوم فناوری استفاده کرد، مانند انواع روشهای انتقال حرارت و برق، تئوری الاستیسیته، نفوذ مولکولی و انتقال جرم و انتشار، انتشار موج، جریان سیال و…

برای حل معادلات COMSOL Multiphysics PDE از روش المان محدود (FEM) استفاده می کند. نرم افزار، آنالیز المان محدود را همراه با Meshing قابل تطبیق و کنترل خطا با استفاده از Solver های عددی مختلف، اجرا می کند. PDEها پایه و اساس قوانین علمی را شکل داده اند و مبنایی برای مدل سازی رنج وسیعی از پدیده های علمی و مهندسی به شمار می روند. بنابراین از COMSOL Multiphysics در محدوده گسترده ای از موارد مختلف می توان استفاده کرد. مثال هایی از این قبیل کاربرد ها در ذیل بیان شده است:

صوت
Bioscience
واکنش های شیمیایی
نفوذ
الکترومغناطیس
دینامیک سیالات
پیل های سوختی و الکتروشیمی
زمین شناسی
انتقال حرارت
سیستم های میکرو الکترومکانیکی(MEMS)
نور
فتونیک
جریان در محیط های متخلخل
مکانیک کوانتوم
فرکانس های رادیویی
اجسام نیمه هادی
ساختار مکانیکی
پدیده های انتقال
پخش امواج.

بسیاری از کاربردهای عملی شامل کوپل کردن همزمان معادلات PDE چند فیزیکه در سیستم می شوند. برای مثال، مقاومت الکتریکی یک جسم هادی اغلب با دما تغییر می کند و مدل هادی جریان باید شامل اثرات مقاومت حرارتی نیز باشد. در ساختار COMSOL Multiphysics مدل هایی برای محدوده وسیعی از مسائل وجود دارد. برای این منظور، ماژول هایی در نرم افزار طراحی شده است. این ماژول از اصطلاحات فنی و روش های خاصی برای ایجاد یک هماهنگی خاص در جهت ساده سازی تجزیه و تحلیل مدل ها استفاده می نمایند. COMSOL Multiphysics شامل ماژول های زیر می باشد:

ماژول AC/DC
ماژول صوت
ماژول مهندسی شیمی
ماژول Earth Science
ماژول انتقال حرارت
ماژول MEMS
ماژول RF
ماژول ساختار مکانیکی.

مراحل شبیه سازی در COMSOL Multiphysics را می توان به شش مرحله کلی تقسیم بندی کرد:

۱- تعریف معادلات حاکم بر فرآیند و انتخاب بعد فضایی سیستم مورد بررسی

۲- تعریف هندسه سیستم در محیط نرم افزاری

۳- تعیین شرایط مرزی.

۴- تعیین خصوصیات فیزیکی و شرایط عملیاتی سیستم و وارد نمودن حدس های اولیه حل.

۵- Meshing و انتخاب Solver لازم و حل سیستم مورد بررسی.

۶- Post processing و نحوه پردازش پاسخ ها

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی راکتور لوله ای پلی استر در نرم افزار کامسول (COMSOL) انجام شده است. در این پروژه راکتور لوله ای پلیمریزاسیون با مدل انتقال گونه ها (species transport) و اتلاف ادی برای واکنش های گونه ها درنظرگرفته شده است.