مایعات فوق بحرانی چیست؟

مایعات فوق بحرانی در دما و فشارهای بالاتر از نقطه بحرانی خود وجود دارد، یک حالت ترمودینامیک که در آن فازهای مایع و گاز متمایز وجود ندارد.در این شرایط منحصر به فرد، مایع یک ترکیب منحصر به فرد از چگالی مایع و ویسکوزیته گاز مانند مایع و پراکندگی خاص را فراهم می کند.این طبیعت دوگانه مایعات فوق بحرانی را قادر می سازد تا به مواد متخلخل به عنوان یک گاز موثر نفوذ کنند در حالی که حل آن با استفاده از مایعات (به طور خاص کربن دی اکسید کربن) ارائه می کند.

دمای بحرانی و فشار یک ماده انتقال آن را از رفتار فوق بحرانی تا دی اکسید کربن تعریف می کند، این مقادیر 31.1 ° C و 73.8 bar هستند؛ برای آب، آنها 374 ° C و 220.6 bar هستند. بالای این آستانه ها، خواص مانند چگالی، ویسکوزیته و هدایت حرارتی می تواند به طور مداوم با تنظیم فشار و دما تنظیم شود، ارائه یک فرآیند کنترل قابل توجه با حلال های سنتی غیرممکن است.

نقش CFD در مدل سازی مایع فوق بحرانی

دینامیک مایع محاسباتی چارچوبی برای حل معادلات حاکم بر حرکت مایع - حفظ توده، حرکت و انرژی - در یک دامنه دیسکیزه شده فراهم می کند، هنگامی که برای مایعات فوق بحرانی اعمال می شود، CFD باید به شدت غیر مستقیم رفتار ترمودینامیکی و شیب های بزرگ اموال در نزدیکی نقطه بحرانی حساب کند.

با ادغام معادلات واقعی نفوذ از دولت (EOS) مانند Peng-Robinson، Soave-Redlich-Kwong، یا مدل دقیق تر اسپانیایی-Wagner برای CO2، حل کنندگان CFD می توانند پیش بینی چگالی، enthalpy و حمل و نقل خواص تحت شرایط فوق بحرانی.Ther حل به طور همزمان انتقال گرما، آشفتگی، و پتانسیل انتقال، شبیه سازی با راکتورهای بالا، و شبیه سازی ستون های بالا، و انتقال حرارت، و شبیه سازی ستون های بالا.

مدل سازی چالش ها

  • خواص ترمودینامیک پیچیده - در نزدیکی نقطه بحرانی، ظرفیت گرمایی خاص و فشرده سازی به طور چشمگیری، باعث سفتی عددی و نیاز به الگوریتم های حل کننده تخصصی.
  • مدل سازی انتقال مرحله - حتی در منطقه فوق بحرانی، شرایط عملیاتی می تواند از منحنی همزیستی عبور کند، که منجر به رژیم های جریان دو فاز می شود که خواستار مدل های چند فاز مانند مدل تعادل همگن یا مدل دو-دفلی هستند.
  • شرایط فشار بالا - چگالی بالا و پراکندگی پایین مایعات فوق بحرانی اغلب منجر به رژیم های جریانی نیمه یا انتقالی می شود که به شدت مرز و جزئیات هندسی حساس هستند.
  • مدل سازی شتاب استاندارد - مدل های تلاطم استاندارد (K-ε، k- ⁇ SST) ممکن است نیاز به کالیبراسیون برای شرایط فوق بحرانی بزرگ شبیه سازی اددی (LES) به طور فزاینده ای برای پیش بینی دقیق مخلوط در استخراج و برنامه های واکنش استفاده می شود.

تکنیک های شبیه سازی

  • [FLT: 1] روش حجم ( [FLT 1] - رویکرد غالب در کدهای CFD تجاری، با استفاده از فرمول های متغیر محافظه کار برای اطمینان از ثبات عددی با خواص واقعی تاثیر گذار.
  • مدل های املاک واقعی (FLT 1) - زوج به حل کننده جریان از طریق توابع تعریف شده کاربر (UDFs) یا کتابخانه های املاک داخلی که داده های زبانه را از NIST CERTP یا CoolProp تقسیم می کنند.
  • مدل سازی جریان چند فاز - حجم مایع (VOF) یا چارچوب های اوی-Eulerian رابط ها یا فاز های پراکنده را هنگامی که تراکم جزئی یا فلش رخ می دهد.
  • ادغام دولتی - Cubic EOS با قوانین مخلوط پیشرفته برای سیستم های چند جزء، به علاوه Helmholtz انرژی مبتنی بر EOS برای شبیه سازی تک جزء بالا.

مزایای استفاده از CFD برای مایعات فوق بحرانی

تست تجربی فرآیندهای فوق بحرانی به دلیل فشارهای شدید و پتانسیل برای خوردگی، گران و خطرناک است. CFD یک آزمایشگاه مجازی را ارائه می دهد که در آن مطالعات پارامتریک می تواند به سرعت انجام شود:

  • هزینه توسعه کاهش یافته - نمونه های فیزیکی و آزمایش های کمتری برای تأیید مفاهیم طراحی مورد نیاز است.
  • گرما و انتقال توده ای [FLT 1] - تجسم دما و زمینه های غلظت در ستون های استخراج یا راکتورها بهبود هندسه را که باعث افزایش عملکرد می شود، فراهم می کند.
  • ایمنی فرایند بهبود - CFD می تواند مناطقی از استرس حرارتی بالا یا تقویت فشار را پیش بینی کند، هدایت قرار دادن سیستم های امداد و عایق.
  • ] بینش های شتاب بخش - سیمینگ آزمایشگاه در مقیاس، خلبان و تجهیزات تمام مقیاس با فیزیک ثابت پشتیبانی از مقیاس مطمئن.

برنامه های کاربردی در صنعت

استخراج CO2 فوق بحرانی

در صنایع غذایی و دارویی، اسکل CO2 حلال انتخاب برای استخراج کافئین از دانه های قهوه، روغن های ضروری از گیاهان و API های فعال از گیاهان گیاهی است.مدل سازی CFD از این عصاره های بستر بسته بندی شده یا ستون اسپری پیش بینی اثرات جریان، اندازه ذرات و گوگرد در مورد گرایش های استخراج.

آب فوق بحرانی Oxidation (SCWO)

SCWO زباله های آلی را با اکسید آنها در آب فوق بحرانی (T > 374 ° C، P > 220 bar) از بین می برد، این فرایند به بهره وری تخریب 99٪ می رسد و محصولات جانبی بی ضرر تولید می کند. CFD به راکتورهای داخلی کمک می کند تا از بارش نمک و شبیه سازی خوردگی آشفته در راکتورهای ترانسپیینگ-وال منجر به حفظ طرح هایی شده اند که از تحقیقات گرم جلوگیری می کنند.

بهبود روغن پیشرفته (EOR)

تزریق اسکل دی اکسید نفت باعث کاهش ویسکوزیته روغن و ورم حجم نفت، بهبود تحرک، شبیه سازی CFD از سیل CO2 در مدل مقیاس مخزن می شود، ترکیب پیچیده جریان چند فاز، واکنش های شیمیایی با آب تشکیل دهنده، و انتشار.این شبیه سازی ها منجر به تزریق به خوبی قرار دادن و زمان چرخه، منجر به افزایش عوامل بازیابی.

پردازش مواد و کریستال سازی

مایعات فوق بحرانی برای تولید نانوذرات، آئروگل ها و پوشش های پیشرفته با گسترش سریع یا تکنیک های ضد حل استفاده می شود. مدل های CFD فرآیند توسعه نازل سرعت، دما و میدان های فوق العاده ای را که توزیع اندازه ذرات را تعیین می کنند، طراحی نازل ها را فعال کرده اند که ذرات اندازه یکنواخت برای فرمول های دارویی تولید می کنند.

پردازش دارویی و Bio Processing

صنعت داروسازی از مایعات فوق بحرانی برای میکرونیزاسیون، کنترل پلی ملانوم و استریل کردن استفاده می کند. CFD همراه با مدل های تعادل جمعیت پیش بینی عملکرد اشکال کریستال مطلوب و جلوگیری از تشکیل پلیوم های ناپایدار است.این رویکرد نیاز به آزمایش های آزمایشی و تروریستی در توسعه اولیه را کاهش می دهد.

اعتبارسنجی و ادغام تجربی

نتایج CFD تنها به عنوان فیزیک پایه و تقریب عددی قابل اعتماد است. اعتبارسنجی در برابر داده های تجربی ضروری است، به ویژه برای پیش بینی های املاک در نزدیکی نقطه بحرانی. تصویر ذرات با وضوح بالا (PIV) و برنامه ریزی از فلونوسسانس لیزر (PLIF) زمینه جریان و اندازه گیری غلظت است که شبیه سازی صنعت بهترین عمل شامل یک بررسی سیستماتیک و پیچیدگی و توسعه (V) و به تدریج شروع تجزیه و تحلیل ساده است.

علاوه بر این، تکنیک های اندازه گیری غیر تهاجمی مانند Raman Specoscopy و X-ray محاسبه شده در حال حاضر در داخل سخت های فشار بالا برای ارائه در داده های چگالی و ترکیب استفاده می شود.

چشم انداز آینده

آموزش ماشین آلات

مدل های یادگیری ماشین آموزش دیده در پایگاه های بزرگ CFD می توانند به عنوان مدل های سوررو گیت عمل کنند، پیش بینی رفتار جریان در ثانیه به جای ساعت، این شتاب دهنده ها کنترل فرآیند زمان واقعی و بهینه سازی را فراهم می کنند، به ویژه برای عملیات پویا مانند استخراج فشار.شبکه های عصبی هیبریدی فیزیکی آگاه نیز برای حل معادلات حاکم به طور مستقیم، به طور بالقوه کاهش الزامات حل و فصل شبکه توسعه یافته است.

مدل سازی چند منظوره

پیوند دینامیک مولکولی (MD) در مقیاس نانو با CFD cotinuum در مقیاس ماکرو همچنان یک چالش بزرگ است.پیشرفت در حل کنندگان چند رسانه ای در حال حاضر اجازه می دهد شبیه سازی های MD-CFD برای سیستم های فوق بحرانی ساده مانند اسکلید های نانو را نشان دهد.

دوقلوهای دیجیتال در زمان واقعی

با ظهور IoT صنعتی، مدل های CFD با رضایت بالا در دوقلوهای دیجیتال از گیاهان فوق بحرانی جاسازی شده اند.این دوقلوها به طور موازی با دارایی فیزیکی اجرا می شوند، به طور مداوم داده های سنسور را به روز رسانی پیش بینی توزیع دما، نرخ خوردگی و باقی مانده تجهیزات عمر.

طراحی پایدار فرآیند

CFD طراحی فرآیندهای فوق بحرانی را که مصرف انرژی و زباله های حلال را به حداقل می رساند، فعال می کند. [برای مثال، فرآیندهای استخراج اسکل دی اکسید کربن می تواند بهینه سازی شود تا با کاهش فشار پایین تر یا کاهش ورودی حرارت، به عنوان صنایع با مقررات محیط زیست سخت تر، این بهینه سازی ها به تولید پایدار تبدیل شوند. NIST برنامه ترمودینامیک محاسباتی

نتیجه گیری

CFD به یک ابزار ضروری برای مدل سازی رفتار پیچیده مایعات فوق بحرانی در فرایندهای صنعتی تکامل یافته است.از چالش های اساسی ترمودینامیک واقعی به مزایای عملی کاهش هزینه های تجربی و ایمنی پیشرفته، هم افزایی بین روش های محاسباتی و تکنولوژی فوق بحرانی همچنان به محرک نوآوری ادامه می دهد.به عنوان مدل سازی وفاداری بهبود می یابد و هزینه های محاسباتی، دامنه آنچه که می تواند فقط گسترش یابد، باز کردن کاربردهای انرژی جدید، و فناوری های مهندسی دیجیتال در آینده، و شیمی دیجیتال پیشرفته آن است.