Компьютерное моделирование гидродинамики и массопереноса процесса сверхкритической сушки аэрогелей в аппаратах лабораторного и промышленного масштаба

Э. В. Голубев; Е. Н. Суслова; А. Е. Лебедев

doi:10.6060/rcj.2023672.4

Э. В. Голубев Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Е. Н. Суслова Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
А. Е. Лебедев Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2023672.4

Ключевые слова: моделирование гидродинамики, аэрогель, сверхкритическая сушка

Аннотация

В данной статье представлены результаты моделирования гидродинамики и массопереноса процесса сверхкритической сушки в аппаратах различного объема. Расчёты гидродинамики и массопереноса проводились с помощью программного пакета Ansys Fluent на примере аппаратов лабораторного и промышленного объемов – 2 и 70 литров, соответственно. Моделирование проводилось с целью прогнозирования времени проведения сверхкритической сушки и возможности масштабирования процесса. Для моделирования гидродинамики и массопереноса использовались положения механики сплошных сред. Многокомпонентная система рассматривалась как вязкая сжимаемая жидкость. Расчет проводился в двух областях: пористом теле и в свободном объеме аппарата определенного масштаба. Дополнительно проведено исследование гидродинамики и массопереноса процесса в присутствии рассекателя, необходимого для минимизации образования застойных зон в аппарате. С целью оптимизации расчет рассекателя проводился отдельно от аппарата. Полученные данные использовались в дальнейших расчетах гидродинамики и массопереноса процесса с помощью пользовательской функции (UDF), написанной на языке программирования C. Предварительно проводилось исследование кинетики сверхкритической сушки в аппарате объемом 2 л, которое необходимо для оценки возможности применения предложенной математической модели для аппаратов промышленного уровня. В ходе моделирования было показано, что использование предложенной модели возможно для описания процесса сверхкритической сушки в аппаратах различного объема. Кроме того, были получены расчетные кривые кинетики сверхкритической сушки, профили распределения скоростей сверхкритического диоксида углерода и распределение концентрации изопропилового спирта в различные моменты времени по сечению аппарата.

Литература

Aegerter M.A., Leventis N., Koebel M.A. Aerogels handbook: Advances in sol-gel derived materials and technologies. New York: Springer. 2011. 932 p.

Bento C. S. A., Alarico S., Empadinhas N., de Sousa H. C., & Braga M. E. M. The Journal of Supercritical Fluids. 2022. V. 184. P. 105570. DOI: 10.1016/j.supflu.2022.105570.

An L., Wang J., Petit D., Armstrong J. N., Li C., Hu Y., Huang Y., Shao Z., & Ren S. Applied Materials Today. 2020. V. 21. P. 100843. DOI: 10.1016/j.apmt.2020.100843.

Wei N., Wu J., Tang Y., Lu S., & Wang L. Journal of Power Sources. 2020. V. 479. P. 229096. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.229096.

Mahmoudpour M., Dolatabadi J. E.-N., Hasanzadeh M., & Soleymani J. Advances in Colloid and Interface Science. 2021. V. 298. P. 102550. DOI: 10.1016/j.cis.2021.102550.

Fonseca L. M., Silva F. T. da Bruni G. P., Borges C. D., Zavareze E. da R., & Dias A. R. G. International Journal of Biological Macromolecules. 2021. V. 169. P. 362-370. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2020.12.110.

Lebedev A.E., Katalevich A.M., Menshutina N.V. The Journal of Supercritical Fluids. 2015. V. 106. P. 122-132. DOI: 10.1016/j.supflu.2015.06.010.

Nadargi D.Y., Kalesh R.R., Rao A.V. Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 480. N 2. P. 689-695. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.02.027.

Bartosz Nowak, Marta Bonora, Maria Zuzga, Łukasz Werner, Anna Jackiewicz-Zagorska, Jakub M. Gac. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022. V. 10. N 5. P. 108410. DOI: 10.1016/j.jece.2022.108410.

Chao Yao, Xin Dong, Guangpeng Gao, Fei Sha, Dongyu Xu. Journal of Non-Crystalline Solids. 2021. V. 562. P. 120778. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.120778.

Songlin Fan, Jian Chen, Chao Fan, Guangliang Chen, Shigen Liu, Hemao Zhou, Rangtao Liu, Yanjuan Zhang, Huayu Hu, Zuqiang Huang, Yuben Qin, Jing Liang. Journal of Hazardous Materials. 2021. V. 416. P. 126225. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126225.

Ce Gao, Xue-Lian Wang, Qing-Da An, Zuo-Yi Xiao, Shang-Ru Zhai. Carbohydrate Polymers. 2021. V. 256. P. 117564. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.117564.

Shi X., Xiao C., Ni H., Gao Q., Han L., Xiao D., & Jiang S. Energy Reports. 2023. V. 9. P. 2286-2299. DOI: 10.1016/j.egyr.2023.01.023.

Sato T., Sugiyama M., Misawa M., Hamada K., Itoh K., Mori K., & Fukunaga T. Journal of Molecular Liquids. 2009. V. 147. N 1-2. P. 102-106. DOI: 10.1016/j.molliq.2008.06.017.

Heidaryan E., Jarrahian A. The Journal of Supercritical Fluids. 2013. V. 81. P. 92-98. DOI: 10.1016/j.supflu.2013.05.009.

Frey K., Modell M., Tester J. Fluid Phase Equilibria. 2009. V. 279. N 1. P. 56-63. DOI: 10.1016/j.fluid.2009.02.005.

Abudour A. M., Mohammad S. A., Robinson R. L., & Gasem K. A. M. Fluid Phase Equilibria. 2012. V. 335. P. 74-87. DOI: 10.1016/j.fluid.2012.08.013.

Yang X., Rowland D., Sampson C. C., Falloon P. E., & May E. F. Fuel. 2022. V. 314. P. 123033. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.123033.

Du G., Hu J. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2016. V. 49. P. 94-107. DOI: 10.1016/j.ijggc.2016.02.025.

Mller N., Weare J. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1992. V. 56. N 7. P. 2605-2617.

Lebedev A.E., Lovskaya D.D., Menshutina N.V. The Journal of Supercritical Fluids. 2021. V. 174. P. 105238. DOI: 10.1016/j.supflu.2021.105238.