Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用

目的:介绍Cantera在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用。

所用模块:Materials Visualizer、Cantera

前提条件:

背景
连续搅拌釜式反应器(CSTR)是一种理想的反应器,由完全混合的气体组成。这意味着假设CSTR内的溶液在所有点上都是相同的,并且反应器内没有质量累积。
真实的CSTR不符合这一理想假设,但这一概念在整个生物和化学工业中都得到了应用,例如在酿造、抗生素生产和生物柴油生产领域。在此处模拟计算的结果可用于估算此类工艺的产量和操作条件。本教程涉及模拟燃烧过程。实验测定气体混合物中的点火延迟时间很困难,也相当危险,但精确的模拟与实验结果能够很好地吻合(Maas&Warnatz, 1988)。
Cantera模块中,可使用理想气体定律对这种类型的反应器进行建模,并考虑等温或绝热。
介绍
在本教程中,您将学习如何使用Cantera模块在恒温和绝热条件下模拟连续搅拌釜式反应器(CSTR)中的氢和氧溶液。
本教程包括如下部分:
  • 开始
  • 向Cantera模块输入数据
  • 设置Cantera反应动力学计算
  • 运行和分析等温模拟
  • 运行和分析绝热模拟
  • 以更高的分辨率运行优化后的计算。
注意:为了确保您可以完全按照预期的方式学习本教程,您应该使用“设置管理器(Settings Organizer)”对话框确保项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
1、开始
首先启动Materials Studio并创建一个新项目。
打开“新建项目New Project”对话框,输入cstr作为项目名称,单击OK按钮。
在Project Explorer中将会显示项目名cstr。在本教程中,将使用氢和氧的溶液。
单击“导入Import”按钮Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用打开“导入文档Import Document”对话框。导航到Examples/Cantera文件夹,将文件类型过滤器更改为All Materials Studio文件,然后双击MS_h2o2.std
将打开一个显示Cantera所需的数据的数据表。本数据表包含GRI Mechanism 3.0(GRI-MECH 3.0)中反应的子数据集合、使用NIST Chemistry WebBook标准焓的参考化合物以及Materials Studio中计算的化合物数据。
2、向Cantera模块输入数据
Species选项卡包含元素氢和氧以及它们自身和共同形成的化合物的数据。数据还包括氩,它会参与一些三元反应。MS_h2o2.std中的Species选项卡上有九列:
  • Structure结构:存储代表每个化合物的原子文档。Cantera将此信息用于化合物种类识别(如果可用),并且也可用于可视化显示。

  • Name名称:每种化合物的标识字符串。Cantera模块就是这样区分化合物种类的,所以每种化合物的名称都必须唯一。

  • Phase相:描述每种化合物的相。

  • Atoms原子:每种化合物的原子组成,其形式为A:n B:m。

  • Standard enthalpy of formation标准生成焓:每种化合物的生成焓,由NASA多项式在298.15 K下估计的焓值确定。

  • Duplicate副本:如果化合物是需要副本的,例如,相同化合物处于不同的自旋状态,则Duplicate中应写入字符串。可以使用任何字符串来成功验证数据表处于不同状态的化合物,但建议使用描述性的内容。

  • Thermo热学量NASA多项式,Cantera在模拟过程中使用该多项式计算热力学性质。

  • Transport传输:化合物气体传输特性的数据,用于模拟反应器网络。

  • Note注释:可以写入任何附加信息,在MS_h2o2.std中,写入了DMol3模块结构优化设置的参数。

查看Species选项卡上Note列的内容。此列为利用DMol3模块计算每个特定化合物的详细信息。

单击Reference选项卡。
Reference选项卡为具有已知标准生成焓的所有化合物,且包括反应机理中使用的每种元素。
  • D为在298.15 K下未修正NASA多项式得出的结果。
  • E为实验获得的298.15 K下的生成焓值。
  • F为通过拟合参考能量校正后的生成焓。
通过查看第E列第F列之间的差异,可了解了参考能量的精度。
参考化合物的目的是确保Species选项卡上的NASA多项式(用于计算每种物种的热力学性质)可在通用能量标度上进行评估。
单击Reactions选项卡。
Reactions选项卡包含Species选项卡中列出的种类之间可能发生的反应的数据。
具体而言,此选项卡中的数据用于计算反应速率。
查看Reactions选项卡上Note列的内容。本栏列出了用于获得反应速率系数的数据的文献和方法参考。
一般来说,可以在计算过程中跟踪特定数据集合的历史记录,这可以在反应机制文档中的注释列中得以实现。
单击Species选项卡。
单击列标题G以选择整个Thermo列。
在列标题G上单击鼠标右键,然后从快捷菜单中选择根据内容确定尺寸Size to Contents
NASA多项式是根据经验计算的,仅在特定的温度范围内有效,对于每种化合物可能不同,因此必须进行检验,因为超出多项式适用范围的模拟是无效的。
每个NASA多项式由两组两个数组组成(如MS_h2o2.std所示)。每个数组中的第一个数组只包含两个数值,即多项式的温度下限和温度上限。第二个数组由七个数值组成,它们是多项式系数。
MS_h2o2.std中的第三行为氢(H2),第一个NASA多项式的温度范围为[200.00, 1000.00],第二个NASA多项式的温度范围为[1000.00, 6000.00],因此可以在200-6000 K范围内可以可靠地模拟H2。事实上,MS_h2o2.std中的所有化合物均有此范围。

3、设置Cantera反应动力学计算

MS_h2o2.std中的数据将用作Cantera模块的输入。
单击Modules工具栏上的Cantera按钮Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用,然后选择Calculation或从菜单栏中选择Modules | Cantera | Calculation
这将打开Cantera Calculation对话框。
从任务Task下拉列表中选择CSTR,并确保在气体Gas部分中选择摩尔分数Mole fraction
从化合物种类Species下拉列表中选择H2,然后在下一个新创建的行中选择O2
H2的分数Fraction设置为2,将O2的分数Fraction设置为1
将温度Temperature设置为960 K,并将压强Pressure更改为101325 Pa。
点击More…按钮打开Cantera CSTR对话框,将输出时间窗口Output time window设置为50秒,时间步长Time step设置为0.5,然后关闭对话框。
Cantera Calculation对话框将如下所示。
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4、运行和分析等温模拟
接下来,使用这些输入的参数运行默认的CSTR计算。
选择Job Control选项卡并查看设置,选择适当的网关位置Gateway location和队列Queue。单击Run按钮并关闭对话框。
在Project Explorer中会打开一个名为MS_h2o2 Cantera CSTR的新文件夹,服务器将运行一个Cantera计算任务,只需几秒钟即可完成。等待作业完成并下载结果,然后继续下一步。
Project Explorer中,右键单击MS_h2o2 Cantera CSTR并从快捷菜单中选择重命名Rename。将名称更改为Isothermal
从菜单栏中选择File | Save Project保存项目。
计算任务完成时,将打开一个名为MS_h2o2.txt的文本文档,内容包括Python已经启动并成功完成的通知,以及关于氢氧溶液初始状态和最终状态的热力学性质的总结。从这些结果中可以看出,溶液的温度在960 K时没有变化。默认情况下,Cantera模块假设体系置入固定温度的热浴中。
除了计算参数文件(MS_h2o2 – Calculation)和输入数据表之外,在Isothermal文件夹中创建了另外三个文件,即MS_h2o2.cti,MS_h2o2.py和数据表MS_h2o2 Results.std。
双击打开Project Explorer中的MS_h2o2.cti
.cti文件为Cantera Calculation对话框的输入数据,是Cantera自身可读的格式。它作为特定计算的输入记录保存。
关闭MS_h2o2.cti并双击打开Project Explorer中的MS_h2o2.py
Materials Studio创建了Python脚本和Cantera输入文件MS_h2o2.cti。
Materials Studio包括一个完整的Python编译器,并在该环境中运行Cantera。文件MS_h2o2.txt是来自编译器的标准输出流。
双击打开Project Explorer中的MS_h2o2 Results.std
选择A列时间Time (s),按CTRL键并选择C列压力Pressure (Pa)。单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用。在Project Explorer中右击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd,并将其重命名为pressure.xcd
将打开时间和压力图,如下例:
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计算利用理想气体定律:
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其中体积和温度固定。
因此,压强下降是由于2摩尔H21摩尔O2只产生2摩尔H2O这一事实引起的。
双击MS_h2o2 Results.std以使其成为当前文档,并选择A列时间TimeD列比焓Specific Enthalpy (J/kg)E列比焓率Specific Enthalpy Rate (J/kg s)
单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用。在Project Explorer中右键单击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd,并将其重命名为heat.xcd
将打开时间、比焓和比焓率曲线图,如下例:
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从图中可以看出,净反应是放热的,但反应速率较慢。
双击MS_h2o2 Results.std使其再次成为当前文档,选择N列Ar质量分数Mass fraction Ar,然后按住SHIFT键并单击以选择O2质量分数Mass fraction O2NF所有列。按CTRL键并单击以另外选择A列时间Time (s)
单击“快速绘图Quick Plot”按钮Materials Studio官方教程:Cantera模块—在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用
将显示所选化合物的时间和质量分数图,如下例:
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该图显示了MS_h2o2.std数据集合中考虑的每种化合物的质量分数。它证实了heat.xcd的观察结果,即H2O2缓慢反应,稳定生成H2O。虽然在高中化学实验中见过的这种类型的反应,和此处所描述的缓慢和可观察的反应动力学截然不同的效果。
Project Explorer中右键单击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd,并将其重命名为fractions.xcd
从菜单栏中选择File | Save Project,然后选择Window | Close All
5、运行和分析绝热模拟
先前的计算过程缓慢稳定地产生水,但由于该计算中使用的边界条件,没有任何爆炸性燃烧的迹象。温度保持恒定,以使反应产生的任何热量瞬间从容器中排出。因此,混合物不能达到自燃温度,也不会像实验中预期的那样爆炸燃烧。在Cantera中,通过在计算过程中保持所有热量储存在体系中且容器绝热,可以放松该边界条件。
双击Project Explorer中的MS_h2o2.std打开它。打开Cantera Calculation对话框,确认参数设置与之前相同:温度Temperature960 K,压强Pressure101325 Pa。单击More…按钮并设置输出时间窗口Output time window050秒,时间步长Time step0.5秒。
Cantera CSTR对话框中,取消选中等温Isothermal并关闭对话框。
单击Run按钮。
将创建一个新文件夹MS_h2o2 Cantera CSTR,并在几秒钟后完成计算任务。
计算完成后,右键单击Project Explorer中的文件夹MS_h2o2 Cantera CSTR,并将其重命名为Adiabatic_Coarse
双击打开Project Explorer中的Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Cantera FilesMS_h2o2.txt,使其成为当前活动文档。
查看该文件中的氢和氧溶液初始和最终状态的热力学结果将发现,在该模拟过程中,温度升高至3220 K左右。重命名包含第一个绝热模拟的文件夹,以避免与以后的结果混淆。
双击打开Project Explorer中的Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Results.std
使用与上述相同的方法创建压强、比焓和比焓率以及质量分数的曲线图,并对其进行适当重命名。
此外,在Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Results.std中,选择A列时间TimeB列温度Temperature (K)
将得到的曲线图文件重命名为temperature.xcd
将显示如下所示的曲线图。
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从这些图中清晰可见,点火发生在约第26秒之前,这与更加符合H2和O2混合物点燃时爆炸的预期。Cantera使用可变时间步长积分方法,这意味着最终状态可以精确表示体系状态。然而,在目前的计算中,难以与反应的实际时间尺度相对应。
从菜单栏中选择File | Save Project,然后选择Window | Close All
6、以更高的分辨率运行优化后的计算
在本节中,我们将使用CSTR对话框上的控件放大点火点并进行详细分析,同时运行与之前相同的整体模拟。Cantera使用自适应阶跃积分方法执行时间积分,该方法可在初始时间后开始输出,并在任何需要高分辨率的时间获得结果。综上所述,初始时间约为25.5秒,运行时间为1秒,时间步长为0.001秒,这似乎是反应中阶跃变化放大的合理起点。
重新打开MS_h2o2.std研究表。
打开Cantera Calculation对话框,然后单击More …按钮打开Cantera CSTR对话框。
将输出时间窗口Output time window25.5秒更改为26.5秒,并选择0.001秒的时间步长。
单击Run按钮。
计算完成后,通过绘制与上述相同的曲线图来分析结果。仍然会观测到温度和反应物行为的剧烈阶跃变化。通过连续放大时间间隔,能够将反应动力学分解为发生爆炸发生的亚微秒时间尺度。
反复修改Cantera运行的开始和结束时间以及时间步长,以找到主要反应发生的时间间隔。可以把反应分解到1e-7s左右的时间步长。
可见主要反应发生在接近25.65969-25.65979 s的时间间隔内,这可以通过缩放精确至1e-7 s的时间步长。
Project Explorer中的最终结果文件夹上单击鼠标右键,并将其重命名为Adiabatic_Zoom
双击Project Explorer中的MS_h2o2 Results.std打开它。
使用与前面相同的步骤,创建温度temperature、压强pressure、比焓specific enthalpy和比焓率specific enthalpy rate以及质量分数mass fractions的曲线图,并适当命名。
得到的曲线图应如下所示。
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在新得到的数据中,可以非常清楚地看到氢氧混合物的燃点,特别是通过观测最大比焓率曲线。
从菜单栏中选择File | Save Project,然后选择Window | Close All
本教程到此结束。

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