מה הם שפעת קריטית?

נוזלים סופר קריטיים קיימים בטמפרטורות ולחצים מעל הנקודה הקריטית שלהם, מצב תרמודינמי שבו שלבים נוזליים וגז נפרדים חדלים להתקיים. במצב ייחודי זה, הנוזל מציג תערובת ייחודית של צפיפות דמוי נוזלית ומהירויות דמוי גז כמו צמיגיות ו diffusivity. זה מטבע כפול מאפשר נוזלים סופר קריטיים לחדור חומרים ביעילות כמו גז תוך פירוק סולמות עם כוח solvating כל כך (Oc2 מציע יתרונות ספציפיים נוזל פחמן).

הטמפרטורה והלחץ הקריטיים של חומר מגדירים את המעבר שלו מהתנהגות ביקורתית.עבור פחמן דו חמצני, ערכים אלה הם 31.1 מעלות C ו 73.8 בר; עבור מים, הם 374 מעלות צלזיוס ו-220.6 בר מעל סף אלה, תכונות כגון צפיפות, סטיות, סטיות, מוליכות תרמי ניתן לכוון באופן רציף על ידי התאמת לחץ וטמפרטורה, המציע רמה יוצאת דופן של שליטה כי הוא בלתי אפשרי עם פותרים מסורתיים.

תפקיד ה-CFD ב- Super Critical Fluid Modeling

Computational Fluid Dynamics מספק מסגרת לפתרון המשוואות השולטות של תנועה נוזלית - שמירה על התנהגות תרמודינמית מסיבית, מומנטום ואנרגיה - על פני תחום מלוטש. כאשר הוא מיושם על נוזלים ביקורתיים, CFD חייב לקחת בחשבון עבור התנהגות תרמודינמית חזקה מאוד ו ⁇ נכסים גדולים ליד הנקודה הקריטית.

על ידי שילוב משוואות של מדינה (EOS) כגון Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, או מודל ספn-Wagner מדויק יותר עבור CO2, CFD פותרים יכולים לחזות צפיפות, entphpy, והובלת נכסים בתנאים סופר קריטיים.המסועת בו זמנית של חום, ערבוב, פוטנציאל, שלב פוטנציאל, מעברים, כדי לסימולטורים עם כורים גבוהים.

מודלים של אתגרים

  • (FLT:0)Complex thermoדינמיתmiaveFLT:1 - ליד הנקודה הקריטית, יכולת חום ספציפית ודחיסות ספייק באופן דרמטי, גרימת קשיחות מספרית ודורש אלגוריתמים מיוחדים.
  • (FLT:0) מעבר שלב מודל של FLT:1 - גם באזור סופר קריטי, תנאי הפעלה יכולים לחצות את עקומת דו-קיום, המוביל למשטרי זרימה דו-פזה הדורשים מודלים רב-phase כגון מודל שיווי משקל הומוגני או מודל שתי-השפעה.
  • (FLT:0) תנאים בלחץ גבוה (FLT:1) - צפיפות גבוהה ו diffusivity נמוכה של נוזלים סופר קריטיים לעתים קרובות לגרום למשטרי זרימה לחמין או מעבר רגישים לחוספס הגבול ולפרטים גאומטריים.
  • (FLT:0) קוצר רוח מודל של FLT:1 - מודלים של זעזועים סטנדרטיים (k-ε, k- ⁇ SST) עשויים לדרוש כיבוד לתנאים סופר קריטיים. , אדדי סימול גדול (les) משמש יותר ויותר לשילוב מדויק תחזיות ביישומים של החילוץ ותגובה.

טכניקת סימבול

  • (FLT:0) שיטת נפח נייח (FLT:1) - הגישה הדומיננטית בקודי CFD מסחריים, באמצעות ניסוחים משתנים ראויים כדי להבטיח יציבות מספרית עם תכונות בעלות השפעה אמיתית.
  • (FLT:0) מודלים של נכסים בעלי השפעה אמיתית (FLT:1) - יחד עם פתרון זרימה באמצעות פונקציות המוגדרות על ידי משתמשים (UDFs) או ספריות רכוש בנויות כי נתונים לשוניים בין-פולטאליים מ-T REFPROP או CoolProp.
  • (FLT:0) Multiphase זרימה מודלingFIRLT:1 ; נפח של פלויד (VOF) או מסגרות Eulerian-Eulerian עוקב אחר ממשקים או שלב מפוזר כאשר הדבקה חלקית או פלאשינג מתרחשת.
  • (FLT:0) סיפוח של שילוב המדינה 1FLT) - Cubic EOS עם כללים מתקדמים עבור מערכות מרובות-קומנטליות, בתוספת Helmholtz מבוסס אנרגיה עבור סימולציות חד-צדדיות בעלות דיוק גבוה.

היתרונות של שימוש ב-CDCD עבור Super Critical Fluids

ניסויים של תהליכים סופר קריטיים יקרים ומסוכנת בשל לחצים קיצוניים ופוטנציאל עבור קורוזיה. CFD מציעה מעבדה וירטואלית שבה ניתן לבצע מחקרים סיממטריים במהירות.

  • (הופנה מהדף LT:0) עלות הפיתוח של פיתוח מחדש של 1FLT - מעט יותר אבטיפוסים פיזיים וניסויים נדרשים כדי לאמת מושגים עיצוביים.
  • (FLT:0) חום ועברה המונית של LT:1 - ויזואליזציה טמפרטורה ושדות ריכוז בתוך עמודות החילוץ או כורים מאפשר שיפורים גאומטריה להגדיל את התשואות.
  • (FLT:0) שיפור תהליך בטיחות בטיחות בטיחות (FLT:1), CFD יכול לחזות אזורים של לחץ תרמי גבוה או בניית לחץ, המנחה את מיקום מערכות הקלה ו בידוד.
  • (FLT:0) תובנות בעלות יכולת גבוהה (FLT:1) - הקצאת קנה מידה, פיילוט בקנה מידה וציוד בקנה מידה מלא עם פיזיקה עקבית תומכת בקנה מידה בטוח.

יישומים בתעשייה

CO2 מיצוי

בתעשיות המזון והתרופות, ה-SCO2 הוא המפת של בחירה למיצוי קפאין מגלועים קפה, שמנים אתריים מתא צמחי מרפא, ו- API פעילים מבוטאים.CD, המדגם של אלה תמצית זו או ריסוס-קומונים צופה את ההשפעות של החילוץ בזרימת זרימת, גודל חלקיקים, וסולילות על מיצוי חומרים קיננטיים.

Oxidation (SCWO)

SCWO הורס פסולת אורגנית על ידי חמצון אותם במים סופר קריטיים (T > 374 מעלות צלזיוס, P > 220 בר) התהליך משיג >99.9% יעילות ההרס ומייצר תוצרי לוואי בלתי מזיקים.CD מסייע לתכנן כורים פנימיים כדי למנוע משקעים מלוחים וקורוזיון.

התאוששות נפט מוגברת (EOR)

הזרקת סקו2 למאגרי שמן מדולקים מקטין את הסטיות והנפיחות של נפח הנפט, שיפור הניידות.FD סימולציות של CO2 הצפה בדגמיית המאגר את הממשק המורכב של זרימת רב-אפ, תגובות כימיות עם מים היווצרות, ו diffusion. סימולציות אלה מדריך הזרקת מיקום ותזמון היטב, המוביל לגורמי התאוששות מוגברת.

חומרים עיבוד ו Crystallization

נוזלים סופר קריטי משמשים לייצור חלקיקים, aerogels, וציפויים מתקדמים על ידי התרחבות מהירה או טכניקות נגד פתורות.מודלים של תהליך התרחבות nozzle ללכוד את המהירות, הטמפרטורה, שדות העל אשר קובעים התפלגות גודל חלקיקים. Simulations אפשרו את העיצוב של nozzles המייצרים חלקיקים בגודל אחיד עבור ניסוחים תרופות.

תרופות וביוטכנולוגיה

תעשיית התרופות ממנתה נוזלים על-טבעיים עבור micronization, בקרת פולימורפ, ו סטריליזציה. CFD בשילוב עם מודלים של איזון האוכלוסייה צופה את התשואות של צורות גבישים הרצויות ומונע היווצרות של פולימורפים לא יציבים.הגישה מפחיתה את הצורך בניסויים ניסיוניים וטרור בפיתוח בשלבים מוקדמים.

המונחים: Experimentalאינטגרציה

תוצאות CFD הן רק אמינות כמו הפיזיקה הבסיסית ו approximations המספרי. אימות נגד נתונים ניסיוניים הוא חיוני, במיוחד עבור תחזיות נכסים ליד הנקודה הקריטית. High-resolution תמונה velocimetry (PIV) ומתכננים לייזר הנגרמת על ידי פלואורescence (IF) לספק זרימת שדה ומדידות ריכוז כי סימולציות של סימולציה.הפרקטיקה הטובה ביותר כרוכה אימות שיטתי ואימות (Vmetry בהדרגה) עם מורכבות גיאומטרידות גיאומטרידות פשוטות.

בנוסף, טכניקות מדידה לא פולשניות מתפתחות כגון Raman spectroscopy ו X-ray coputed tomography משמשים כעת בתוך השקיות בלחץ גבוה לספק צפיפות ישיבה ונתונים הרכב. ניסויים אלה מאפשרים לדגמי CFD לחדד את הזעזועים שלהם ואת המודלים התגובה שלהם עבור תנאים ביקורתיים.

פרספקטיבה עתידית

אינטגרציה למידת מכונות

מודלים של למידת מכונות המוכשרים על מסדי נתונים גדולים של CFD יכולים לפעול כמודלים חלופיים, לחזות התנהגות זרימה במילימטרים במקום שעות. מאיצים אלה מאפשרים בקרת תהליכים בזמן אמת ואופטימיזציה, במיוחד עבור פעולות דינמיות כמו מיצוי לחץ.רשתות עצביות היברידיות-מודעות לפיזיקה מפותחות גם כדי לפתור את המשוואות השולטות ישירות, פוטנציאל להפחית את דרישות ההחלטה ברשת.

מודלים Multi-Scale Modeling

קישור דינמיקות מולקולריות (MD) ב nanoscale עם CFD מתמשך במאקרו בקנה מידה נשאר אתגר גדול.התקדמות ב coarse-graining ו- multi-grid פותרrs עכשיו לאפשר סימולציות MD-CFD עבור מערכות ביקורתיות פשוטות, כגון scCO2 זורם דרך nano ⁇ membranes. אלה מודלים בקנה מידה גדול מבטיח לחשוף את ההשפעה האמיתית של מבנה מולקולרי מקומי על תחבורה מקרוסקופית.

תגית: Time Digital Twins

עם עלייתו של IoT תעשייתי, מודלים גבוהים של CFD הם מוטבעים תאומים דיגיטליים של צמחים סופר קריטיים. תאומים אלה לרוץ במקביל עם הנכס הפיזי, כל הזמן להטמיע נתונים חיישן כדי לעדכן תחזיות של חלוקת טמפרטורה, שיעורי קורוזיה, ושאר חיי הציוד.התוצאה היא תחזוקה חיזויית והפחתה לא מתוכננת למטה.

עיצוב תהליכים בר קיימא

CFD מאפשר עיצוב של תהליכים סופר קריטיים הממזערים צריכת אנרגיה ופסולת מחוספסת.לדוגמה, תהליכי ייצור מיצוי של סקופ2 ניתן לייעל כדי להשיג טוהר גבוה עם טיפות לחץ נמוך יותר או ירידה בטמפרטורות.כפי שעומד בפני תקנות סביבתיות הדוקות יותר, אופטימיזציה אלה הופכים מרכזיים לייצור בר קיימא.FLT:0NIST חישובי thermodynamics תוכנית תרמודינמיקה FLT:1.

מסקנה

CFD התפתח לכלי חיוני עבור מודל ההתנהגות המורכבת של נוזלים סופר קריטיים בתהליכים תעשייתיים.מהאתגרים הבסיסיים של תרמודינמיקה של ממש-fluid ליתרונות המעשיים של עלויות ניסיוניות מופחתות ובטיחות מוגברת, הסינרגיה בין שיטות חישוביות וטכנולוגיה סופר קריטי ממשיכה להניע חדשנות. כמו מודל של נאמנות משפרת ועלויות חישוביות, היקף של מה שניתן לדמות רק, להרחיב יישומים חדשים וחדשניים, בכימיה ירוקה, הוא.