شبیه سازی راکتور شیمیایی با نرم افزار کامسول

راکتور شیمیایی در حقیقت دستگاهی است که در آن واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شوند و می‌توان به کمک آن، مواد اولیه خام را به محصولات مورد نیاز صنایع تبدیل نمود.

راکتور شیمیایی چیست؟

واکنشگاه شیمیایی یا راکتور شیمیایی، در حقیقت دستگاهی است که در آن واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود و می‌توان به کمک آن، مواد اولیه واکنش را به محصولات مورد نیاز صنایع تبدیل نمود. شبیه سازی راکتور مستلزم شناخت کامل واکنش‌های شیمیایی صورت گرفته در راکتور می‌باشد. از همین رو، تسلط مهندسین و محققین مربوطه بر مباحثی مانند سینتیک شیمیایی، ترمودینامیک شیمیایی و ریاضیات لازم و ضروری است.

فرایند طراحی و شبیه‌سازی راکتور برعهده مهندسان شیمی و دیگر متخصصان صنایع شیمیایی است. راکتورهای شیمیایی بسته به نوع و محل کاربرد، می‌توانند در ابعاد مختلف مانند راکتورهای بزرگ جهت مصارف صنعتی و راکتورهای کوچک به منظور استفاده در آزمایشگاه‌ها ساخته شوند.

در روند شبیه سازی راکتور، پارامترهای مختلفی مانند دما، فشار، حجم، زمان اقامت، ضریب انتقال حرارت، سرعت واکنش، غلظت مواد شیمیایی و … تاثیرگذار هستند. مهندسان، راکتورهای شیمیایی را بر اساس این پارامترها، در ابعاد مختلف و با جزئیات متفاوت طراحی و شبیه‌سازی می‌کنند.

از دیگر عوامل تاثیرگذار در شبیه‌سازی راکتورها، نوع واکنش و فاز مواد مورد استفاده در واکنش و همچنین روند واکنش تا پایان آن می‌باشد. نکته قابل توجه در شبیه‌سازی راکتور، این است که اطلاعات مربوط به ماهیت واکنش، گرماگیر یا گرماده بودن آن، تولید یا عدم تولید گاز در واکنش در اختیار شخص قرار ندارد. در ادامه، به معرفی انواع مختلف راکتورهای شیمیایی خواهیم پرداخت.

انواع راکتورهای شیمیایی

اولین قدم در فرایند شبیه سازی راکتور شیمیایی، شناخت انواع راکتورها است. از طرفی، نوع واکنش‌ها در راکتور از جهت همگن و ناهمگن بودن آنها متفاوت است. در واکنش‌های همگن، تمامی مواد واکنش، در یک فاز قرار دارند و در واکنش‌های ناهمگن، مواد شرکت‌کننده در واکنش در فازهای مختلف هستند. این مسئله بر تقسیم‌بندی انواع راکتورها و شبیه‌سازی آنها تاثیرگذار خواهد بود. در ادامه، طی متداول‌ترین نوع تقسیم‌بندی راکتورها، انواع راکتورها را بررسی خواهیم کرد.

راکتورهای پیوسته:

دانستیم که برای شبیه سازی راکتور، باید ابتدا نوع آن را مشخص کنیم. یکی از راکتورهای پرکاربرد در صنعت، راکتور پیوسته می‌باشد. در این راکتورها، یک یا تعدادی جریان ورودی، مواد واکنش‌دهنده را به داخل راکتور هدایت می‌کند و پس از انجام واکنش، محصولات نهایی از راکتور خارج می‌شوند. عموما دبی ورودی و خروجی مواد در این نوع راکتورها، ثابت و بدون تغییر است. از راکتورهای پیوسته، جهت تولید محصولات حجیم و با تقاضای نسبتا بالا در بازار استفاده می‌شود. از جمله محصولات تولیدی با این راکتورها، مواد پتروشیمی، مواد شوینده و بهداشتی و … می‌باشند.

راکتورهای مخزن‌دار به همراه همزن (CSTR):

این دسته از راکتورها، دارای مخزن‌هایی هستند که وظیفه مخلوط کردن مواد اولیه را بر عهده دارند. اگرچه این نوع راکتورها حجم بیشتری را از فضا اشغال می‌کنند، اما قادر به تولید حجم بالایی از فراورده‌های نهایی هستند.

راکتورهای بسته و نیمه بسته:

راکتورهای بسته، راکتورهایی هستند که به صورت مخزن‌دار و به همراه سیستم تبادل حرارت و یک همزن طراحی و ساخته می‌شوند. مواد اولیه در راکتورهای بسته وارد شده و واکنش مربوطه انجام می‌شود. سپس با تولید محصولات نهایی، درب راکتور باز شده و محصول نهایی خارج می‌شود.

راکتورهای نیمه بسته نیز به راکتورهای بسته شباهت زیادی دارند. تنها وجه تمایز راکتورهای نیمه بسته با نوع بسته آن، این است که در این نوع از راکتورها، مواد اولیه به آرامی به مخزن وارد می‌شوند ولی خروجی از راکتور وجود ندارد. کاربرد اصلی راکتورهای بسته در فرایند تولید محصولاتی با حجم کم است. از جمله محصولات قابل تولید با این نوع از راکتورها، مواد دارویی هستند.

راکتورهای سیال بستر:

در شبیه سازی راکتور سیال بستر، باید در نظر داشت که در آنها، جامدات با جریانی از سیال درون راکتور در حالت معلق قرار دارند. این مواد، شامل انواع واکنش دهنده‌ها و کاتالیزگرها هستند.

راکتورهای پلاگ (PFR):

از جمله راکتورهای قابل طراحی در فرایند شبیه‌سازی راکتور، راکتورهای پلاگ هستند. طی جریان پلاگ در سیستم، سرعت حرکت سیال در مرکز لوله و در کنار دیواره لوله یکنواخت و ثابت خواهد بود. در این جریان در راکتور، مواد واکنش دهنده با یکدیگر به طور یکنواخت تماس می‌یابند و واکنش مدنظر، تکمیل می‌گردد.

این راکتورها، به جای مخزن، دارای یک لوله جهت انجام واکنش هستند. طبیعتا، این ساختار راکتورهای پلاگ، باعث می‌شود نسبت به راکتورهای مخزن‌دار، فضای کمتری را اشغال ‌کنند. به علت همین ساختار لوله‌ای، سطح تماس راکتور با محیط اطراف بیشتر می‌باشد. این امر موجب می‌شود که تبادل گرما در راکتور، بسیار آسان‌تر انجام ‌شود.

راکتورهای ثابت بستر:

همان‌گونه که از نام این نوع راکتورهای شیمیایی مشخص است، مواد جامد شرکت‌کننده در واکنش که عموما کاتالیزگرها هستند، در حالت ثابت درون راکتور قرار دارند و سایر مواد (واکنش دهنده‌ها) از روی این مواد عبور کرده و واکنش انجام می‌گیرد.

نرم افزارهای شبیه سازی راکتور

امروزه، با پیشرفت فناوری و تکنولوژی‌های نوین، نرم‌افزارهای گوناگونی به کمک عملیات‌های شبیه‌سازی و طراحی شتافته‌اند. نرم‌افزارهای مختلفی جهت شبیه سازی راکتور وجود دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• Aspen HYSYS
• ASPEN PLUS
• DWSIM
• Matlab
• Ansys Fluent
• ChemCAD
• Comsol
• و …

نرم افزار کامسول

از جمله نرم‌افزارهایی که مهندسان و پژوهشگران می‌توانند به کمک آن عملیات شبیه سازی راکتور را انجام دهند، نرم‌افزار کامسول می‌باشد. این نرم‌افزار، تقریبا امکان شبیه‌سازی همه پدیده‌ها را دارا می‌باشد. از این رو، امروزه به یک نرم‌افزار پرکاربرد در صنعت تبدیل شده و مهندسان شیمی، پلیمر و مکانیک از آن استفاده می‌کنند.

شبیه‌سازی راکتور، تنها یک قابلیت کوچک از این نرم‌افزار می‌باشد. در ادامه به معرفی کاربردهای رایج نرم‌افزار کامسول می‌پردازیم:

– امکان طراحی و شبیه‌سازی تمامی پروژه‌های شبیه سازی شیمیایی، فیزیکی، نجوم و … و همچنین حل معادلات دیفرانسیل سیستم‌های غیر خطی به کمک مشتق‌های جزئی به روش المان محدود در فضاهای یک تا سه بعدی

– شبیه‌سازی انواع میدان‌های مغناطیسی، الکتریکی و  پروژه‌های آکوستیک و صوتی، انتقال ذرات شیمیایی و…

– شبیه‌سازی جریان سیالات آرام، آشفته، چندفازی، انتقال حرارت و …

– امکان برقراری ارتباط با نرم‌افزارهایی مانند کتیا، متلب، سالیدورکس، اکسل و …

از جمله مزایای استفاده از این نرم‌افزار، می‌توان به ساده‌تر کردن روند  شبیه‌سازی، درک  بهتر رفتار سیستم، ایجاد همکاری آسان مهندسان و ایجاد پل ارتباطی بین آنها، امکان ارائه پاسخ سریع و برآورده‌ ساختن انتظارات کارفرما و حتی فراتر از آن می‌باشد.