Utilisation d'une technique informatique de dynamique des fluides pour analyser le PACK

Jun 23, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 6588 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, un emballage structuré en gaze métallique innovant, à savoir PACK-1300XY avec une surface spécifique de 1 300 m2/m3, a été caractérisé par la mise en œuvre d'une approche de dynamique des fluides computationnelle (CFD). En effet, différentes caractéristiques de ce garnissage (hauteur équivalente à une plaque théorique, perte de charge humide/sèche et efficacité de transfert de masse) ont été analysées en analysant le régime d'écoulement à l'aide de l'approche CFD tridimensionnelle avec le scénario multiphasique Eulérien-Eulérien. Les résultats ont montré un écart relatif moyen de 16 % (pour la chute de pression humide), 14 % (pour la chute de pression sèche) et 17 % (pour l'efficacité du transfert de masse) entre les prédictions CFD et les mesures expérimentales. Ces excellents niveaux de cohérence entre les résultats numériques et les observations expérimentales confirment l'utilité de l'approche basée sur la CFD pour une simulation fiable des processus de séparation.

Les technologies de séparation, telles que l'absorption à base de liquide ionique1,2 et assistée par micro-ondes3, l'adsorption4,5,6,7, la membrane8, la purification circulante9 et la fluidisation10,11,12, ont un large éventail d'applications dans différentes applications. La colonne de distillation est probablement le processus le plus connu pour séparer la matière première et le flux de produits en tenant compte de la volatilité relative13,14,15. La colonne de distillation peut facilement gérer un régime d’écoulement à contre-courant entre les flux gazeux et liquides16. Les colonnes de distillation équipées du plateau 17 et du garnissage 18 constituent à cet égard deux catégories principales. Cette dernière est divisée en deux empilements aléatoires et structurés19.

Parce que le garnissage structuré présente de nombreux avantages, notamment une faible perte de charge, une efficacité de séparation élevée et une adaptabilité aux différentes opérations20, il a été sélectionné pour les tours de séparation à grande échelle21 et les industries chimiques nationales. Afin d'approfondir les performances de séparation des procédures chimiques, un type d'emballage structuré, à savoir l'emballage en tôle ondulée, est populaire22. Leur matériau pourrait être des métaux, des céramiques et des plastiques23 disposés côte à côte avec des directions de canal inversées. Leur porosité est donc d'environ quatre-vingt-dix pour cent, avec une surface spécifique attractive allant de 250 à 750 m2/m324.

Les chutes de pression sèches et humides dans les colonnes de distillation sont associées respectivement à la phase gazeuse et au flux gaz-liquide à contre-courant sur la hauteur de la colonne25. Par ailleurs, la hauteur équivalente à une plaque théorique (HETP) et la tenue aux liquides sont d'autres caractéristiques essentielles d'une garniture26,27. De plus, l'efficacité de séparation pour le lit garni a été définie via la valeur HETP, qui montre le transfert de masse des garnissages. Il convient de noter qu’il existe une relation proportionnelle entre ces paramètres28.

Parmi les études numériques de l'écoulement des fluides dans les garnissages, la dynamique des fluides computationnelle (CFD) est une méthode efficace pour réduire le coût économique des mesures expérimentales29,30,31,32. De plus, un autre avantage de cette méthode de calcul est la capacité d’estimation de l’effet de divers facteurs33,34,35. Pour atteindre cet objectif, plusieurs chercheurs ont développé des méthodes de discrétisation précises et des algorithmes de solution, c'est-à-dire fournissant un schéma de calcul efficace, pour introduire un modèle précis pour la simulation de l'écoulement dans les emballages, que la combinaison de scripts et de logiciels internes permettrait de réaliser. utilisé à cette fin36.

Ces dernières années, un enrichissement des composants à l’interface gaz-liquide37,38 à l’échelle atomistique a une influence importante sur les mécanismes de transfert de masse39,40,41. De plus, plusieurs études basées sur la CFD ont étudié le comportement d'écoulement multiphasique de garnissages structurés différemment42,43,44,45. De plus, l'étude de la représentation empirique pour l'usage commercial des feuilles d'emballage en carton ondulé a été présentée dans d'autres travaux informatiques46,47.