הבנה של חומר דרדציה בכימיקלים

השפלה חומרית בכורות כימיות כוללת מגוון של תהליכים אשר בהדרגה להפחית את השלמות המבנית וביצועים של רכיבים כור.תהליכים אלה כוללים קורוזיה, שחיקה, עייפות תרמית, מצמרר, וסדקים בהתרגשות.כל מנגנון מונע על ידי אינטראקציות בין סביבת ההפעלה של הכור - טמפרטורה, לחץ, דינמיקה כימית, זרימה - וחומרים של בנייה, כגון נירוסטה, ⁇ , או קרמיקה.

קורוזיה נובעת מתגובה אלקטרו-כימית בין פני המתכת לבין מינים אגרסיביים בנוזל התהליך. Erosion מתרחשת כאשר חלקיקים מוצקים, טיפות, או זרמי נוזל עתירי גבוה ללבוש פיזית את פני השטח.העייפות הירומית נובעת מחזורי טמפרטורה חוזרים הגורמים התרחבות ו התכווצות, המוביל לסדקים ולתמיכה.

סימולציה מדויקת של תופעות אלה דורש דינמיקת נוזל הפיכה עם מודלים מדעיים חומריים. דינמיקה נוזלי Computational (CFD) מספק מסגרת לחיזוי שדות זרימה מקומיים, התפלגות טמפרטורה, ריכוזי מינים, ומתח קיר - אשר כולם משפיעים על שיעורי ההשפלה.על ידי שילוב מודלים של ירידה ישירות לתוך סימולציות CFD, מהנדסים יכולים לזהות נקודות חמות ותחומים פגיעים הרבה לפני בדיקות פיזיות יחשפו אותם.

התפקיד של Fluid Dynamics Computational Fluid Analysis

מדוע CFD הוא חיוני לחיזוי ללבוש חומרי

גישות מסורתיות להערכת ההידרדרות החומרית תלויה בקורלציה אמפירית או במודלים אנליטיים פשוטים.שיטות אלה לעתים קרובות נכשלות ללכוד את הריאציות המרחביות והזמניות המורכבות הקיימות בכורים אמיתיים. CFD מתגבר על מגבלות אלה על ידי פתרון המשוואות השולטות של זרימת נוזלים, העברה חום, ותגובות כימיות בכל נקודה בשטח.ה.התוצאה היא תיאור נאמנות גבוה של הסביבה המקומית שמניעה השפלה.

עבור שחיקה, CFD יכול לעקוב חלקיקים או טיפות באמצעות מעקב חלקיקים Lagrangian, לחזות מהירויות השפעה, זוויות, תדרים. עבור קורוזיה, CFD יכול לפתור העברת שכבת גבול של מינים קורוזיים ו compute פוטנציאלים אלקטרוכימיים מקומיים. עבור עייפות תרמית, CFD מספק שדות טמפרטורה transient המשמשים תנאים לניתוח מתח מבני.

בעיות של תגובה ל- Simulation

(FLT:0)ANSYS FluentFLT:1 הוא מפתר מוביל של CFD בשימוש נרחב בתעשיית התהליכים הכימיים.

  • תחבורה רב-מינים וכימיה סופית-rate עבור תגובה של זרמים
  • אוילרי-Lagrangian ו-Eulerian Multiphase מודלים עבור מערכות דלק-liquid-solid
  • קירות-סרטים ומודלים לשחיקה עבור זרימת חלקיקים-לאדן
  • פונקציות מוגדרות למשתמש (UDFs) ליישום קינטיקה של השפלה אישית
  • העברה חום לניתוחים תרמיים
  • יכולות אוויריות דינמיות ומהירות גבולות לצמיחה או למיתון של פני השטח

תכונות אלה הופכות להתאמה טובה לצמצום האפליקציות החל מיחידות פצח קטליטיות לחילופי חום ובודקים.בנוסף, שילובו של פלונט עם FLT:0ANSYSFLT:1 מאפשר חד-דרך או שני-way אינטראקציה מבנית נוזלית (FSI) להעריך מתח ועיוות שנגרם על ידי השפלה.

קביעת סימולציה של Degradation ב- ANSYS Fluent

יצירת גאומטריה ומאשינג

גיאומטריה גבוהה היא הבסיס של כל סימולציה אמינה.מודל הכור צריך לכלול baffles פנימיים, אינץ ', שקעים, סלילי קירור, וכל תכונות אחרות המשפיעות על הפצה. Simplifications עשויים להיות הכרחי עבור פנימיים מורכבים, אבל אזורים קריטיים - כגון ירכיים, מעברים חומריים, ואזורים גבוהים - חייב להיות מיוצג עם מספיק פרטים.

דור Mesh דורש תשומת לב מיוחדת ליד קירות שבו מתרחשת השפלה. שכבת Boundary המתפתלת עם שכבות prism מבטיחה את ההחלטה נאותה של מהירות וריכוז ⁇ s. עבור מחקרים שחיקה, mesh ליד הקיר חייב ללכוד את התנגשויות ההשפעה חלקיקים.עבור קורוזיה, די דקה בממשק נוזלי-סולם נדרש לפתור את שכבת העברת הגבול ההמוני. Ash מחקר צריך להיות מתוכנן כדי לאשר תוצאות אופייניות של כמה מאות סימולציה.

מודלים לפיזיקה: בחירת הגישה הנכונה

בחירת המודלים הפיזיים המתאימים תלויה במנגנון ההשפלה הדומיננטי:

  • (FLT:0) מודלים של טטורות: 1FLT עבור רוב זרמי הכור, מודל k-ε או SST k- ⁇ מספק איזון טוב של דיוק ועלויות חישוביות. סימולציה גדולה (שכבות) עשוי להיות מוצדק עבור זרימה חזקה או הפרדה-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-דו-הורי.
  • (FLT:0) Multiphase Modeling: FIRLT:1 גאס-liquid תגובות דורש מודל או נפח של פלויד (VOF) עבור משטחים חופשיים. זרימת חלקיקים קורא מודל שלב הדיסקרט (DPM) עם מעקב סטוצ'יסטי כדי לקחת בחשבון פיזור סוער.
  • (FLT:0) Reaction Modeling: FLT:1 Finite-rate כימיה עם מנגנוני תגובה מפורטים הכרחי כאשר ההשפלה מונעת על ידי התקפה כימית.התגובה הגלובלית של סימפולציה עשויה להספיק עבור קורוזיה גדולה, אך לעתים קרובות מתפתל מקומי דורש העברת מינים עם תגובות על פני השטח.

תנאים חמורים חייבים לשקף נתונים תפעוליים אמיתיים: שערי זרימה, טמפרטורות אינלט, ריכוזי מינים, וקיר חום העברה יעילה.תנאים של ההרחבה הם בדרך כלל מוגדרים ללחץ של שקעים עם תנאי זרימה מוגדרים כדי למנוע פריטים זורמים לאחור.

מודלים חומריים להורדת

השמדה היא לעתים נדירות נכס חומרי שניתן להיכנס אליו כקבוע; זהו תהליך קצב בהתאם לתנאים המקומיים.בשפעת ANSYS, ניתן להסיק את ההשפלה בכמה דרכים:

  • (FLT:0Users-הגדרת פונקציות (UDFs): תנאי מקור המכס של קונסול 1 יכולים להיות מקושרים לתאי הקיר כדי לדמות אובדן חומרים.לדוגמה, קורוזיה UDF יכול למקם צפיפות מקומית המבוססת על ריכוזים וטמפרטורה של מינים, ואז להמיר לשיעור מיתון קיר.
  • (FLT:0) מודלים של השפעה חלקיקים: FLT:1 מובנה מודלים של שחיקה (Finnie, Oka וכו ') להשתמש בנתונים של השפעה חלקיקים (עיר, זווית, מסה) כדי לחשב אובדן עובי זמן יחידה.
  • (FLT:0) עייפות תרמית:FLT:1 פלורנט פלט שדות טמפרטורה transient, אשר ניתן לקרוא על ידי ANSYS מכני לבצע ניתוח אלמנט סופי (FEA) של לחץ מחזורי.הטווח ומספר מחזורים לכשל יכול להיות מוערך לאחר מכן באמצעות גישה ליניארית אלסטית או-פלסטית בשילוב עם עקומה.

תכונות חומריות כגון צפיפות, חום ספציפי, ו מוליכות תרמי צריך להיות מוגדר כפונקציות של טמפרטורה אם ⁇ תרמי משמעותי קיים. עבור קורוזיה, מוליכות חשמלית של המתכת ואת שכבת אלקטרוליטטה עשוי להיות נחוץ עבור חישובים אלקטרוכימיים.

פתרון לקונפורציה והסכמה

סימולציות מצב Steady הם לעתים קרובות מספיק עבור הערכת שיעורי ההשפלה לטווח ארוך, בתנאי הכור פועל בתנאים יציבים.עם זאת, תהליכים רבים של השפלה הם transient - למשל, גידול קורוזיה, שחיקה מכתש מכתשים, או טראנסים תרמיים במהלך ההפעלה / הבקתה. במקרים כאלה, סימולציה תלויה זמן עם גודל זמן מתאים הוא הכרחי.

יש לקבוע קריטריונים של הדבקה כדי לפקח על שאריות של המשכיות, מומנטום, אנרגיה ומין.בנוסף, ניטור כמויות הקשורות להשפלה (למשל, שיעור שחיקה הכולל על קיר, עומק קורוזי ממוצע) מבטיח כי הפתרון הגיע למצב יציב סטטיסטי.

מודלים של מנגנונים ספציפיים

קורוזיה מודלים עם תגובה אלקטרו-כימית

קורוזיה בכורים כימיים לעתים קרובות כרוך תאים אלקטרוכימיים שבו פירוק או הפחתת קטודי מתרחשים על אותם משטחים מתכת שונים או שונה. ANSYS Fluent יכול מודל תהליכים אלה על ידי הפיכה מינים תחבורה עם תגובות משטח קיר.הצינטיקה העברת המטען לעקוב אחר משוואה Butler-Volmer, אשר מתייחס צפיפות הנוכחית למעלית.

כדי ליישם זאת, משתמשים מגדירים תגובה קיר כי צורכת תצלומי מתכת ומייצרת אלקטרונים (מבודדים באמצעות מין שווה ערך) A UDF מחשב את הקיר הנוכחי מבוסס על ריכוזים מקומיים ופוטנציאל חשמלי (אם מודל אלקטרוליט נכלל) שיעור אובדן המתכת המתקבל מוחל לאחר מכן כמצב גבול נעים, אשר יכול להיות מטופלים באמצעות תנועה דינמי או שינוי באזור מוצק עבור מדריך מקיף על קורוז, לדוגמה: 1.

Erosion Modeling with Particle Tracking

Erosion הוא נושא עיקרי בכורים העוסקים בזחלות, זרזים, או טיפות נוזליות.מודל שלב הדיסקטר (DPM) ב חלקיקים פלורנטיים ומציין את המסלולים שלהם דרך שדה זרימה.בכל אפקט קיר, את המהירות של החלקיק, זווית, ומסה משמשים כדי לחשב את העוקה באמצעות שחיקה של המשתמש-מתאים (למשל, עבור חומר cte), או חומר cte) עבור מתכת חול.

שיקולים חשובים כוללים צורת חלקיקים (החומרית לעומת אי סדיר), התפלגות גודל חלקיקים, וריכוז חלקיקים גבוה לטעון חלקיק עשוי לדרוש מודל הפיכה של ארבע דרכים המהווה התנגשות חלקיקים-חלקיק משוב מומנטום על הנוזל.הקצב החיסוני בדרך כלל נחשב לאובדן מסה מוחלט או כהפחתה עוביית של שלב זמן, אשר ניתן לדמיין כמפת קוטור על הקירות.

עייפות תרמית עם ניתוח מתח זוגי

עייפות תרמית עולה משינויים בטמפרטורה מחזורית המייצרים מתח תרמיים מחזוריים.InSYS an Fluent, סימולציה תרמית חולפת מניבה את ההיסטוריה הטמפרטורה בכל צומת או תא.שדה הטמפרטורה הזה הוא אז ממפה על מרש מבני בתוך ANSYS מכני.מודל מבני משתמש בתכונות חומרים תלויות טמפרטורה (מודלים טבעיים, יעילות מוגברת תרמית, כוח) כדי לחדד את התגובה של לחץ חיים נמוך כגון לחץ חיים Cin-Manin, כגון לחץ חיים נמוך.

קופלינג יכול להיות אחד המסלול (טמפרטורות מושפעות על מוצק) או שני-דרך (עיוות מפוכח משפיע על גיאומטריה נוזלית) עבור רוב ההערכות עייפות תרמיות, הפיכה חד-צדדית מספיקה כי עיוותים קטנים יחסית לגודל הכור.ה סימולציה צריך לכסות כמה מחזורים תרמיים כדי ללכוד את התגובה הטרנסנדנטית לפני שמגיעה לטווח מתוח ייצוב.

אימות תוצאות סימבול נגד נתונים ניסיוניים

אין סימולציה אמינה ללא אימות.מודלים ההשפלה המשמשים בפלואנט מכילים לעתים קרובות קבועים אמפיריים שיש לכוון לשילוב הספציפי של חומר-סביבה.אימות יכול להתבצע באמצעות השוואה ישירה עם נתונים ניסיוניים מ:

  • קופונים לירידה במשקל שהוצבו בכור
  • מידות עובי אולטרה סאונד נלקח במהלך הסגת
  • אלקטרו-כימיקלי ספקטרום (EIS) עבור שיעור קורוזיה
  • הדמיה מהירה גבוהה או לייזר profilometry עבור תבניות שחיקה

גישה שיטתית כוללת הפעלת הסימולציה תחת תנאי מעבדה או פיילוט והשוואה של שיעורי ההידרדרות הצפויים במספר מיקומים.S רגישות מנתחת על פרמטרים מודל מפתח (למשל, שחיקה קבועה, אנרגיית הפעלה קורוזיה) מסייעת לכמת אי הוודאות.אם פערים עולים על הגבולות המקובלים (למשל 20%), המודל צריך להיבדק, ופיסיקה נוספת - כגון היווצרות סרט פסיבי או משטרים של זרימה מרובה-שלבים - עשויים להיות צורך לכלול מעברים.

יישומים מעשיים ומחקרי מקרים

תעשיות אשר משתמשים באופן שגרתי ב- ANSYS Fluent עבור סימולציה של השפלה כוללות זיקוק נפט, פטרוכימיקלים, תרופות, ייצור חשמל וכריית.

  • בכור הידרוקר, סימולציה CFD חזה שחיקה מואצת במפיץ החדירה בשל חלקיקים זרז.על ידי עיצוב מחדש של הגיאומטריה המפיצה, שיעור השחיקה ירד ב-40%.
  • צמח chlor-alkali השתמש במודל קורוזיה כדי לזהות אזורים של pH מקומי גבוה ליד membrane, המוביל להתפרצות מוקדמת.
  • רפורמת קיטור מניפול ניתחה עבור עייפות תרמית.הסימולציה סיכה אזור ננוולד תחת מחזורי מתח גבוהים, מה שגרם לשינוי בהליך ריתוך ואת תוספת של חיזוק.

דוגמאות אלה מדגישות את הערך של סימולציה בהימנעות מעיכובים לא מתוכננים יקרים ומרחיבות את חיי הנכסים.ההשקעה על פני זמן הסימולציה ומשאבים חישוביים היא לעתים קרובות התאוששה פעמים רבות באמצעות עלויות תחזוקה מופחתות ושיפור הבטיחות.

מגמות עתידיות ב Reactor Degradation Simulation

תחום הסימולציה ההשפלה מתפתח במהירות.מגמות מתפתחות כוללות את שילוב של למידת מכונה עם CFD לבנות מודלים חלופיים החיזוי ההידרדרות בזמן אמת כחלק מאסטרטגיה תאומה דיגיטלית. תאומים דיגיטליים משלבים נתוני חיישן חיים עם סימולציות מעודכנים כדי לצפות שנותרו בחיים שימושיים ולגרום תחזוקה אקטיבית.

מגמה נוספת היא השימוש בשיטות נאמנות גבוהות כגון סימולציה רבת-ממדית (שכבות) בשילוב עם מודלים בקנה מידה בסדר-מידה בקנה מידה גדול של קורוזיה כדי ללכוד את הטבע הסטוצ'י של פיזור.בנוסף, התקדמות בהפיכה רב-פיזיקה - המקשרת זרימה נוזלית, אלקטרוכימיה, מכניקה מבנית, ואפילו העברת חום קרינה - תספק הערכות הוליסטיות יותר.

מסקנה

סימולציה של ההשפלה של חומרים בכורים כימיים באמצעות ANSYS Fluent מצייד מהנדסים עם יכולת חיזוי רבת עוצמה. על ידי מודל של יחסי תערובת של דינמיקות נוזליות, העברה חום, תגובות כימיות ותגובה חומרית, זה הופך אפשרי לנקודות התורפה, אופטימיזציה מרווחי תחזוקה, וכורים עיצוב המספקים חיים ארוכים יותר בתנאים תובעניים.

ככל שהכוח והמודלים של נאמנות ממשיכים להתקדם, התפקיד של CFD בניתוח ההשפלה יגדל רק. ארגונים שמשקיעים בכלים הסימולציה האלה היום ממוקמים טוב יותר כדי להתמודד עם האתגרים של מחר בבטיחות תהליכים, ניהול נכסים וקיימות.אם המטרה היא לצמצם את קורוזיה, שחיקה או עייפות תרמית, ®ASYSent מספקת את עומק הגמישות והכרחי כדי להפוך בעיות מורכבות לפתרונות הנדסיים.