✈️

Подписывайтесь на канал@PetroChemInsight

Инженерные разборы, кейсы Aspen HYSYS, патенты и технологии ежедневно в Telegram.

Моделирование2025-04-08 · 3 мин

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Гидротермальная ко-ликвификация биомассы и пластика — перспективный метод получения биотоплива. Связанная модель CFD-DEM-PBM позволила точно предсказать гидродинамику и агломерацию в реакторе. Результаты показали зависимость размеров агломератов от типа пластика, что важно для масштабирования.

CFDAnsysFluentHydrodynamicsDEMPBM

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Вот профессиональный, развернутый перевод и адаптация статьи на русский язык, с сохранением всех технических деталей, цифр и терминологии.

Гидротермальная ко-ликвификация биомассы и пластиковых отходов: моделирование многофазных потоков с помощью CFD-DEM-PBM

Совместная гидротермальная ликвификация (co-HTL) биомассы и пластиковых отходов представляет собой перспективное направление «зеленой» энергетики, позволяющее получать возобновляемое биотопливо (biocrude) и решать проблему утилизации полимерных отходов. Однако переход от лабораторных установок к промышленным реакторам сопряжен с серьезными инженерными вызовами, главным из которых является сложное поведение многофазной среды в условиях высоких температур и давлений.

Для решения этой задачи инженерам потребовалось провести детальный анализ гидродинамических характеристик, пространственного распределения температуры и кинетики агломерации частиц в лабораторном реакторе объемом 1 литр, оснащенном турбинной мешалкой Раштона. Исследование проводилось при экстремальных технологических параметрах: температуре 400 °C, давлении 200 бар, скорости вращения мешалки 140 об/мин и времени выдержки 60 минут. В качестве сырья использовалась смесь энергетической травы Miscanthus giganteus с тремя типами пластиков: полипропиленом (PP), полиэтилентерефталатом (PET) и полистиролом (PS).

В качестве инструмента исследования была выбрана платформа вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent 2026 R1. Ключевой особенностью работы стала реализация передовой трехуровневой связанной модели, объединяющей методы CFD-DEM-PBM (Computational Fluid Dynamics — вычислительная гидродинамика, Discrete Element Method — метод дискретных элементов, Population Balance Modeling — моделирование баланса популяций).

Архитектура многофазной модели

CFD-решатель (Вычислительная гидродинамика): В рамках Эйлерово-лагранжева подхода решались уравнения Навье-Стокса для сплошной жидкой фазы. Это позволило с высокой точностью рассчитать локальные поля скоростей, распределение давления и, что критически важно для процесса смешения, турбулентные сдвиговые напряжения, возникающие в объеме реактора.
DEM-модуль (Метод дискретных элементов): Данный модуль отвечал за отслеживание индивидуальных траекторий движения тысяч частиц биомассы и пластика. Для каждой частицы рассчитывалась механика столкновений, включая нормальные и тангенциальные контактные силы, а также передаваемые импульсы. Это позволило учесть влияние столкновений на перераспределение фаз в аппарате.
PBM-модуль (Баланс популяций): Этот уровень моделирования отвечал за эволюцию размеров агломератов твердых частиц и капель образующейся бионефти. Модель учитывала процессы коалесценции (слияния) и дробления. Ключевым аспектом стала реализация двусторонней связи (two-way coupling): PBM возвращал обновленные данные об объемной доле фаз обратно в CFD-решатель, что обеспечивало высокую точность и физическую согласованность моделирования.

Ключевые результаты моделирования

Проведенное моделирование выявило значительные пространственные градиенты концентрации частиц внутри реактора, что подтвердило неравномерность перемешивания даже при использовании турбинной мешалки.

Разработанная система продемонстрировала высокую предсказательную способность в отношении размеров формирующихся агломератов. Была выявлена четкая зависимость конечного размера от типа перерабатываемого пластика:

Для PET характерный размер агломератов составил 310 мкм.
Для PS этот показатель был равен 180 мкм.
Для PP — 90 мкм.

Кроме того, было установлено, что эффективность формирования жидкого продукта (бионефти) напрямую зависит от гидродинамики смешения. Наибольшая плотность популяции капель бионефти наблюдалась при переработке PET и составила 6.2×10⁵ шт/м³. Для PS этот показатель был равен 4.9×10⁵ шт/м³, а для PP — 3.2×10⁵ шт/м³.

Выводы и значимость работы

Данный исследовательский кейс наглядно демонстрирует современный предел возможностей программного обеспечения для моделирования химико-технологических процессов. Результаты однозначно свидетельствуют о том, что без интеграции CFD с микрокинетическими моделями (такими как DEM и PBM) достоверное прогнозирование выхода целевого продукта в сложных многофазных суспензиях невозможно.

Предложенный фреймворк CFD-DEM-PBM является обязательным инструментом для успешного масштабирования реакторных технологий гидротермальной ликвификации — от лабораторного уровня до промышленных объемов, обеспечивая надежность проектирования и оптимизации промышленных установок.

Источник

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

CFDAnsysFluentHydrodynamicsDEMPBM

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Архитектура многофазной модели

CFD-решатель (Вычислительная гидродинамика): В рамках Эйлерово-лагранжева подхода решались уравнения Навье-Стокса для сплошной жидкой фазы. Это позволило с высокой точностью рассчитать локальные поля скоростей, распределение давления и, что критически важно для процесса смешения, турбулентные сдвиговые напряжения, возникающие в объеме реактора.
DEM-модуль (Метод дискретных элементов): Данный модуль отвечал за отслеживание индивидуальных траекторий движения тысяч частиц биомассы и пластика. Для каждой частицы рассчитывалась механика столкновений, включая нормальные и тангенциальные контактные силы, а также передаваемые импульсы. Это позволило учесть влияние столкновений на перераспределение фаз в аппарате.
PBM-модуль (Баланс популяций): Этот уровень моделирования отвечал за эволюцию размеров агломератов твердых частиц и капель образующейся бионефти. Модель учитывала процессы коалесценции (слияния) и дробления. Ключевым аспектом стала реализация двусторонней связи (two-way coupling): PBM возвращал обновленные данные об объемной доле фаз обратно в CFD-решатель, что обеспечивало высокую точность и физическую согласованность моделирования.

Ключевые результаты моделирования

Для PET характерный размер агломератов составил 310 мкм.
Для PS этот показатель был равен 180 мкм.
Для PP — 90 мкм.

Выводы и значимость работы

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Источник

Теги

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Мультифизическое CFD-моделирование гидротермальной совместной ко-ликвификации биомассы и пластика с использованием связанной системы CFD-DEM-PBM

Источник

Теги