産業用プロセスにおける超臨界流体の挙動をモデル化するためにCfdを使う

超臨界流体とは?

過激な流体は、その重要な点の上に温度と圧力で存在します。, 異なる液体とガス相が存在しない熱力学的状態. この単数条件で, 液体のような密度とガスのような粘度と差のユニークなブレンドを展示します。. この二重性質は、過小評価流体を効果的にガスとして浸透させることを可能にする液体の solvating 力と溶解しながら、. ほとんどの産業上関連スーパークリティカルな液体 (二酸化炭素) および各利点 (二酸化炭素の特定の適用) 液体と.

物質の重要な温度と圧力は、副評論家から過度な行動への移行を定義します。二酸化炭素のために、これらの値は31.1 °Cと73.8バーです。水のために、それらは374 °Cと220.6バーです。これらのしきい値の上に、密度、粘度、熱伝導などの特性は、圧力と温度を調整することで継続的に調整され、従来の溶剤では不可能なプロセス制御の驚くべき程度を提供することができます。

超臨界流体モデリングにおけるCFDの役割

計算式流体力学は、分岐領域における質量、運動量、エネルギーの節減に関する流体運動の調整を解決するためのフレームワークを提供します。過度な流体に応用した場合には、CFDは、重要なポイント近くの、強固な非特定の熱力学的行動と大きな特性の勾配を考慮しなければなりません。これらの課題は、分析的または帝国的アプローチを現実的な産業地理学的方向に誘導します。

ペング・ロビンソン、ソーヴ・レッドリッヒ・クウォン、またはCO2のより正確なスパン・ワグナーモデルを統合することにより、CFDソルバーは、過度な条件下にある密度、エンタシップ、輸送特性を予測することができます。ソルバーは、熱伝達、乱流混合、および潜在的な相転移を同時に計算し、エンジニアが抽出カラム、原子炉、熱交換器、および熱交換器をシミュレートすることを可能にします。

モデリングチャレンジ

[コンプレックス熱力学的特性 - 重要なポイントの近く、特定の熱容量と圧縮性が劇的にスパイクされ、数値の剛性と特殊なソルバーアルゴリズムを必要としています。
[相変遷モデリング] - 超臨界地域でも、動作条件は共存曲線を横断することができ、同世代の平衡モデルや2つのフルードモデルなどの多相モデルを要求する2相流のレジムにつながる。
高圧条件] - 超臨界流体の高密度化と低差化が著しい場合、境界粗さと幾何学的な詳細に敏感な層流出のレジムが生じる。
[Turbulenceモデリング - 標準の乱流モデル(k-ε、k-ω SST)は、過度な条件のための校正を必要とする場合があります。大規模なエディシミュレーション(LES)は、抽出および反応アプリケーションにおける正確な混合予測のためにます使用されています。

シミュレーション技術

[]Finite ボリュームメソッド – 商用CFDコードの優位なアプローチは、保存された変数の公式を使用して、実際の流動性プロパティで数値的な安定性を確保します。
[]リアル・フルード・プロパティ・モデル[ - ユーザー定義関数(UDF)またはNIST REFPROPまたはCoolPropから表データを連結する組み込みのプロパティ・ライブラリを介してフロー・ソルバーに結合しました。
[多相フローモデリング - 流体の量(VOF)またはEulerianフレームワークは、部分的な結露または点滅が起こるとき、インターフェイスまたは分散フェーズを追跡します。
状態の統合の均等化 – マルチコンポーネントシステムのための高度な混合ルールを持つCubic EOS、および高精度の単一コンポーネントシミュレーションのためのHelmholtzエネルギーベースのEOS。

超臨界流体のCFD活用メリット

超臨界プロセスの実験的テストは、極端な圧力と腐食の可能性のために高価で有害です。 CFDは、パラメトリック研究が急速に実行できる仮想ラボを提供しています。利点は次のとおりです。

開発コストを削減 – 物理プロトタイプや実験をフェーアーして設計コンセプトを検証する必要があります。
[]最適化された熱と質量転送[ - 抽出カラムやリアクター内の温度と濃度フィールドを視覚化することで、収量を増加させる幾何学的改善を可能にします。
プロセス安全の改善] - CFDは、高熱ストレスや圧力蓄積の領域を予測し、緩和システムと断熱の配置を導きます。
スケール性インサイト – ラボスケール、パイロットスケール、および一貫した物理を備えたフルスケール機器をシミュレートすることで、自信のあるスケールアップをサポートします。

業界への応用

超臨界CO2抽出

食品および製薬業界において、scCO2は、コーヒー豆、ハーブのエッセンシャルオイル、および植物由来の活性APIからカフェインを抽出するための選択肢の溶媒です。これらのパックベッドまたはスプレーコラム抽出器のCFDモデリングは、抽出キネティックスに対する流量、粒子サイズ、および容解性の影響を予測しています。最近の研究では、粒子の破損と処理中の凝集剤の考慮に、人口バランスモデルとCFDを数回し、タンパク質の抽出を予測します。 [FLT] [FLT] 概要: [FLT]

超臨界水酸化(SCWO)

SCWOは、スーパークリティカルな水(T > 374 °C、P > 220 bar)でそれらを酸化することにより、有機廃棄物を破壊します。プロセスは、 >99.9%の破壊効率を達成し、無害な副産物を生み出します。 CFDは、ソルト沈黙と腐食を避けるために、原子炉内部の設計を支援します。トランスピリングウォール原子炉における泥炭混合のシミュレーションは、温度プロファイルを維持し、均一なスポットを防止する設計につながりました。 EPA] SCW[SCWO]:SCWOPEF]の研究[:SCWO]:[:SCWO]

強化油回収(EOR)

枯渇した油貯水池にscCO2の注入はオイルの粘度を減らし、移動性を改善します。貯水池スケールモデルで浸る二酸化炭素のCFDのシミュレーションは多相の流れの複雑な相互作用、形成水との化学反応、拡散を増強しました。これらのシミュレーションは、増加した回復要因につながる、注射の井戸配置およびサイクルのタイミングを導きます。 DOEは、オイルの回復の概要を強化しました。

加工・結晶化

超臨界流体は、ナノ粒子、エアロゲル、および急速な拡大または防止技術による高度なコーティングを生成するために使用されます。ノズル拡張プロセスのCFDモデルは、粒子サイズ分布を決定する速度、温度、および過飽和フィールドをキャプチャします。シミュレーションは、医薬品製剤のための均一にサイズの粒子を生成するノズルの設計を有効にしました。

医薬品・バイオ加工

医薬品業界は、マイクロ化、多形態制御、殺菌のために超臨界流体を活用しています。 CFDは、人口バランスモデルと相まって、目的の結晶形態の収量を予測し、不安定な多形態の形成を回避します。アプローチは、初期開発における試行錯誤実験の必要性を減らします。

検証と実験統合

CFD は、基礎物理と数値の近似としてのみ信頼性が高い結果です。実験的なデータに対する検証は不可欠であり、特に重要なポイントの近くにプロパティ予測のために。高解像粒子画像の静電(PIV)と平面レーザー誘発蛍光(PLIF)は、ベンチマークシミュレーションが流れるフィールドと集中測定を提供します。業界最高の慣行は、単純な幾何学と徐々に増加する複雑さから始まる、系統的な検証と検証(V&V)プロトコルを含みます。

また、ラマン分光とX線分光などの新非侵襲測定技術は、高圧力リグ内で使用され、斜面密度と組成データを提供します。これらの実験では、CFDのモデラーが超臨界条件の乱流および反応モデルを精製することができます。

未来の視点

マシン学習の統合

大規模なCFDデータベースで訓練された機械学習モデルは、時間ではなくミリ秒単位でフローの動作を予測し、代理モデルとして機能することができます。これらのアクセラレータは、特に圧力スイング抽出などの動的操作のために、リアルタイムのプロセス制御と最適化を有効にします。ハイブリッド物理情報型ニューラルネットワークは、直接、グリッド解像度の要件を削減する、規制を解決するために開発されています。

マルチスケールモデリング

マクロスケールでの連続CFDでナノスケールで分子動態(MD)をリンクすると、壮大な課題が残っています。粗粒と多格子のソルバーに適応し、ナノポラス膜を流れるような、単純な超臨界システムに対数のMD-CFDシミュレーションが可能になりました。これらのマルチスケールモデルは、マクロスコープ輸送における局所分子構造の真の効果を明らかにすることを約束します。

リアルタイムのデジタルツインズ

産業用IoTの上昇に伴い、高忠実度CFDモデルは、超臨場感ある植物のデジタルツインに埋め込まれています。これらのツインは、物理的資産と並列して実行され、常にセンサーデータを同化して温度分布、腐食率、および残りの機器寿命の予測を更新します。その結果、予測的なメンテナンスと計画されていないダウンタイムを削減します。

持続可能なプロセス設計

CFDは、エネルギー消費量と溶剤廃棄物を最小限に抑える超臨界プロセスの設計を可能にします。例えば、scCO2抽出プロセスは、低圧の低下や熱入力を削減することで高純度を実現するために最適化することができます。業界は厳しい環境規制に直面しているため、これらの最適化は持続可能な製造に集中します。 []NIST計算熱力プログラム。

コンテンツ

CFDは、産業プロセスにおける超臨界流体の複雑な動作をモデル化するための不可欠なツールに進化しました。実質流動熱力学の根本的な課題から、実験コストの削減と安全性の増強の実用的な利点まで、計算方法と過小評価技術の間の相乗効果は革新を促進し続けています。流動性をモデル化することで、シミュレーションできる範囲は、再生可能エネルギーの新しいアプリケーションを拡張し、高度な製造、および将来のグリーンクリティカルなエンジニアリングにとどまります。