Mitä ovat superkriittiset nesteet?

Ylikriittisiä nesteitä on yli lämpötiloissa ja paineissa, termodynaaminen tila, jossa erilliset neste- ja kaasufaasit lakkaavat olemasta. Tässä yksittäistilassa nesteessä on ainutlaatuinen nestemäisen tiheyden ja kaasumaisen viskositeetin ja diffusitiivisuuden sekoitus. Tämä kaksinaisuus mahdollistaa superkriittisten nesteiden tunkeutumisen huokoisiin materiaaleihin yhtä tehokkaasti kuin kaasu, samalla kun liuottavat liukoisia liukoisia liukoisia nesteitä nesteen liuoksella. Teollisesti merkittävimpiä superkriittisiä nesteitä ovat hiilidioksidi (scCO2) ja vesi (scH2O), joista jokainen tarjoaa erityisiä etuja sovelluksesta riippuen.

Aineen kriittinen lämpötila ja paine määrittelevät sen siirtymisen alikriittisestä ylikriittisestä käyttäytymisestä. Hiilidioksidin osalta nämä arvot ovat 31,1 °C ja 73,8 bar; veden osalta ne ovat 374 °C ja 220,6 bar. Näiden raja-arvojen yläpuolella ominaisuuksia, kuten tiheys, viskositeetti ja lämmönjohtavuus voidaan säätää jatkuvasti säätämällä painetta ja lämpötilaa, mikä tarjoaa huomattavan prosessinohjauksen, joka on mahdotonta perinteisillä liuottimilla.

CFD:n rooli superkriittisessä nestemallissa

Computational Fluid Dynamics tarjoaa puitteet ratkaista hallitsevia yhtälöitä nesteen liike. Konservation massa, liikevoima, ja energia. Kun sovelletaan ylikriittisiä nesteitä, CFD on otettava huomioon voimakkaasti ei-ideaalinen termodynaaminen käyttäytyminen ja suuret kiinteistön kaltevuudet lähellä kriittinen kohta. Nämä haasteet tekevät analyyttiset tai empiiriset lähestymistavat riittämättömiä realistisia teollisia geometries.

Integroimalla reaalinestemäisiä yhtälöitä valtion (EOS) kuten Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong tai tarkempi Span-Wagner malli CO2, CFD ratkaisijat voivat ennustaa tiheys, enthalpy, ja kuljetusominaisuudet superkriittisissä olosuhteissa. Ratkaisija laskee samanaikaisesti lämmönsiirto, myrskyisä sekoittuminen, ja mahdolliset vaihesiirtymät, joiden avulla insinöörit simuloivat uutto sarakkeita, reaktorit, ja lämmönvaihtimet korkea fidellity.

Haasteiden mallintaminen

  • Compleksinen termodynaamiset ominaisuudet[ . . Lähellä kriittistä kohtaa, tiettyä lämpökapasiteettia ja puristuvuuspiikkiä dramaattisesti, mikä aiheuttaa numeerinen jäykkyys ja edellyttää erikoistuneita ratkaisija-algoritmeja.
  • Aikasiirtymämallit[ ... .......................................................................................................................................................................................................................................
  • Korkeapaineolosuhteet[ ... Ylikriittisten nesteiden suuri tiheys ja alhainen diffusiteetti johtavat usein laminaarisiin tai siirtymävirtausjärjestelmiin, jotka ovat herkkiä rajakarheudelle ja geometrisille tiedoille.
  • Turbulenssimallinnus[ ... Vakioturbulenssimallit (k-ε, k-ω SST) saattavat vaatia kalibrointia ylikriittisissä olosuhteissa. Suuren Eddy Simuloinnin (LES) avulla voidaan yhä useammin sekoittaa tarkasti uutto- ja reaktiosovelluksissa esiintyviä ennustuksia.

Simulointitekniikat

  • Finiittitilavuusmenetelmä[ ... .......................................................................................................................................................................................................................................
  • Reaalinesteen ominaisuusmallit[ ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Multifaasivirtausmalli ... Nesteen tilavuus (VOF) tai Eulerian-Eulerian kehysten radan rajapinnat tai hajaantuneet faasit, kun osittain tiivistyy tai vilkkuu.
  • Valtion yhdentämisen .[. ..........................................................................................................................................................................................................................................

Hyödyt CFD Superkriittiset nesteet

Ylikriittisten prosessien kokeellinen testaus on kallista ja vaarallista äärimmäisten paineiden ja korroosion potentiaalin vuoksi. CFD tarjoaa virtuaalisen laboratorion, jossa parametrisia tutkimuksia voidaan tehdä nopeasti.

  • Vähennetty kehityskustannukset[ . .
  • Optimoitu lämmön- ja massansiirto[ . ... .................................................................................................................................................................................................................................
  • Parempi prosessiturvallisuus[ ... ........................................................................................................................................................................................................................................
  • Katavuus oivalluksia[ ... ....................................................................................................................................................................................................................................

Teollisuuden sovellukset

Ylikriittinen hiilidioksidin talteenotto

Elintarvike- ja lääketeollisuudessa scCO2 on liuotin, joka soveltuu kofeiinin erottamiseen kahvipavuista, eteerisistä öljyistä ja kasvitieteellisistä aineista. Näiden pakattujen sängyn tai spray-kolonnin suodatinten CFD-mallit ennustavat virtausnopeuden, hiukkaskoon ja liukoisuuden vaikutuksia uuttokinetiikkaan. Viimeaikaiset tutkimukset CFD-paritus populaatiotasapainomalleilla hiukkasmurtumien ja taajamien huomioon ottamiseksi käsittelyn aikana. [TieteeSuora katsaus ylikriittisen nesteen uuttamiseen [.

Ylikriittinen vedenhapetus (SCWO)

SCWO tuhoaa orgaaniset jätteet hapettamalla ne ylikriittisessä vedessä (T > 374 °C, P > 220 bar). Prosessilla saavutetaan > 99,9%:n tuhotehokkuus ja tuotetaan vaarattomia sivutuotteita. CFD auttaa suunnittelemaan reaktorin sisäpuolia suolasateen ja korroosion välttämiseksi. Säilyvien sekoittumisten simuloinnit transpiring-seinäreaktoreissa ovat johtaneet suunnitteluun, joka ylläpitää yhtenäisiä lämpötilaprofiileja ja estää kuumat paikat. [EPA-tutkimus SCWO.

Öljyn talteenoton tehostaminen

ScCO2:n injektointi öljysäiliöihin vähentää öljyn viskositeettia ja turpoaa öljyn määrää, parantaa liikkuvuutta. CFD-simulaatiot hiilidioksidivuodosta säiliön asteikolla mallintaa monivaihevirran monimutkaista vuorovaikutusta, kemiallisia reaktioita muodostelmaveden kanssa ja diffuusiota. Nämä simulaatiot ohjaavat injektion sijoittamista ja syklin ajoitusta, mikä johtaa korkeampiin talteenottokertoimiin. [DOE Enhanced Oil Recovery overview[.

Materiaalien käsittely ja kimeyttäminen

Ylikriittisiä nesteitä käytetään nanohiukkasten, aerogelien ja kehittyneiden pinnoitteiden tuottamiseen nopean laajentamisen tai liuotuksenestotekniikoiden avulla. Suuttimen laajennusprosessin CFD-mallit kaappaavat hiukkaskokojakaumaa määrittävien nopeuden, lämpötilan ja ylikylläisyyden. Simulointi on mahdollistanut suuttimien suunnittelun, jotka tuottavat tasaisesti kokoisia hiukkasia lääkevalmisteille.

Lääke- ja biojalostus

Lääketeollisuus hyödyntää ylikriittisiä nesteitä mikronisointiin, polymorfisen kontrolliin ja sterilointiin. CFD yhdistettynä väestötasapainomalleihin ennustaa halutun kristallimuodon tuottoa ja välttää epästabiilien polymorfien muodostumista. Lähestymistapa vähentää tarvetta kokeilla ja harhauttaa alkuvaiheen kehitystyössä.

Validointi ja kokeellinen integrointi

Finanssin ja numeeristen likiarvojen perusteella CFD-tulokset ovat vain yhtä luotettavia kuin taustalla oleva fysiikka ja numeeriset likiarvot. Kokeellisten tietojen validointi on välttämätöntä, erityisesti kriittisen pisteen läheisyydessä olevien ominaisuusennustusten osalta. Korkearesoluutiohiukkaskuvavelocimetria (PIV) ja planaarilaserin aiheuttama fluoresenssi (PLIF) tarjoavat virtauskentän ja pitoisuusmittaukset, jotka vertailukohteena simuloinneissa. Alan parhaisiin käytäntöihin kuuluu systemaattinen todentaminen ja validointi (V&V) -protokolla, alkaen yksinkertaisista geometryistä ja vähitellen lisääntyvästä monimutkaisuudesta.

Lisäksi uusia ei-invasiivisia mittaustekniikoita, kuten Raman spektroskopia ja röntgentomografia, käytetään nyt korkean paineen lautat tarjota in situ tiheys ja koostumus tietoja. Nämä kokeilut mahdollistavat CFD mallintajat tarkentaa turbulenssi ja reaktiomalleja ylikriittisissä olosuhteissa.

Tulevat näkymät

Koneoppimisen integrointi

Suuriin CFD-tietokantoihin koulutetut koneoppimismallit voivat toimia sijaismalleja ennustaen virtauskäyttäytymistä millisekunnissa tuntien sijaan. Nämä kiihdyttimet mahdollistavat reaaliaikaisen prosessinohjauksen ja optimoinnin erityisesti dynaamisissa toiminnoissa, kuten paineaaltojen poistossa. Hybridifysiikan tietoon perustuvia hermoverkkoja kehitetään myös hallitsevien yhtälöiden ratkaisemiseksi suoraan, mahdollisesti vähentämällä verkon resoluutiovaatimuksia.

Moniskaalamallinnus

Molekyylidynamiikan (MD) yhdistäminen nanomittakaavaan ja jatkumohitsaukseen makroskaalassa on edelleen suuri haaste. Eteneminen karkeaksi maalatuissa ja monilaatoissa ratkaisijoissa mahdollistaa nyt kytketyt MD-CFD-simulaatiot yksinkertaisille superkriittisille järjestelmille, kuten scCO2-simulaatiot nanohuokoisten kalvojen läpi. Nämä monimittaiset mallit lupaavat paljastaa paikallisen molekyylirakenteen todellisen vaikutuksen makroskooppiseen kuljetukseen.

Reaaliaikainen digitaalikaksoset

Teollisen IoT:n nousun myötä korkean uskollisuuden CFD-malleja upotetaan digitaalisiin ylikriittisten kasvien kaksosiin. Nämä kaksoset toimivat rinnakkain fyysisen voimavaran kanssa, jatkuvasti sulauttaen sensoritietoja lämpötilan jakautumisen, korroosion nopeuksien ja laitteiden jäljellä olevan eliniän päivitykseen. Tuloksena on ennakoiva huolto ja suunnittelematon seisokki.

Kestävä prosessisuunnittelu

CFD mahdollistaa ylikriittisten prosessien suunnittelun, jotka minimoivat energiankulutuksen ja liuotinjätteen. Esimerkiksi scCO2-uuttoprosessit voidaan optimoida korkean puhtauden saavuttamiseksi matalammilla paineilla tai pienemmällä lämmönsyötöllä. Koska teollisuuden ympäristömääräykset ovat tiukemmat, optimoinnit ovat keskeisessä asemassa kestävässä valmistuksessa. []NIST-laskennallinen termodynamiikkaohjelma[.

Päätelmät

CFD on kehittynyt välttämätön väline mallintaa monimutkainen käyttäytyminen superkriittisiä nesteitä teollisissa prosesseissa. Perushaasteista reaalisen fluidi termodynamiikan käytännön hyötyihin vähentää kokeellisia kustannuksia ja parantaa turvallisuutta, synergia laskentamenetelmien ja superkriittisen teknologian edelleen ajaa innovointia. Koska mallintaminen uskollisuus parantaa ja laskentakustannukset vähenevät, soveltamisalan mitä voidaan simuloida vain laajentaa, avata uusia sovelluksia uusiutuvan energian, pitkälle kehittynyt valmistus, ja vihreä kemia. Tulevaisuus superkriittinen nestetekniikka on luonnostaan digitaalinen, ja CFD sijaitsee sen ytimessä.