Mchakato wa ukristalishaji unapohamishwa kutoka maabara kwenda kiwango cha uzalishaji, uchanganyaji, halijoto na turbulensi havibaki sawa tena katika kila sehemu ya tanki. Maeneo baridi zaidi karibu na ukuta, turbulensi mkubwa kuzunguka kichanganyaji na maeneo tulivu yenye mtiririko mdogo yanaweza kuunda hali tofauti za uundaji wa viini na ukuaji wa fuwele. Kwa hiyo, kemikali ileile inaweza kufanyiza fuwele za ukubwa na maumbo tofauti katika maeneo tofauti ya tanki.

Watafiti walishughulikia tatizo hili kwa mfumo wa sehemu nyingi ulioongozwa na fizikia, unaounganisha taarifa kutoka mienendo ya kiowevu ya kikokotozi na modeli ya usawaziko wa idadi ya pande mbili. Kifuwelezaji cha lita kumi chenye vichanganyaji viwili kiligawanywa katika maeneo saba ya kihaidrodinamiki. Kwa kila eneo, halijoto, ubadilishanaji wa mtiririko, utawanyaji wa nishati ya turbulensi, kujaa kupita kiasi, uundaji wa viini na ukuaji wa fuwele katika mielekeo ya urefu na upana vilikokotolewa kando.

Modeli inaunganisha kasi ya ukokotoaji ya mbinu ya kawaida ya momenti na mgawanyo wa kina wa ukubwa wa fuwele wa mbinu ya ujazo kikomo yenye azimio la juu. Katika ulinganisho wa sehemu moja wenye azimio la 400 × 400, muda wa ukokotoaji ulipungua kutoka sekunde 262 hadi sekunde 36,2. Katika ulinganisho wa sehemu saba wenye azimio la 100 × 100, suluhisho kamili la ujazo kikomo lilichukua sekunde 1.245,6, huku modeli mseto ikikamilisha kazi hiyo kwa sekunde 53,1; hii ni kasi ya takribani mara 23,5.

Matokeo yalionyesha kwamba hata ikiwa wastani wa mkusanyiko wa myeyusho unabaki karibu sawa katika tanki lote, tofauti za halijoto zinazosababishwa na ukuta zinaweza kubadili kujaa kupita kiasi na kasi ya ukuaji ya eneo. Utawanyaji wa nishati ya turbulensi ulipojumuishwa katika mlinganyo wa uundaji wa viini, maeneo karibu na kichanganyaji yakawa vituo vikuu vya uundaji wa viini. Tofauti hizi zilibadili kwa dhahiri mgawanyo wa mwisho wa ukubwa wa fuwele na uwiano wa vipimo.

Kwa nini kuongeza kiwango cha ukristalishaji ni vigumu?

Ufuwele ni mojawapo ya michakato ya msingi inayotumiwa kutenganisha na kusafisha dawa, kemikali za kilimo na kemikali maalum. Bidhaa haitathminiwi kwa usafi wake wa kikemikali pekee. Ukubwa wa fuwele, mgawanyo wa ukubwa, umbo, uwiano wa vipimo na aina ya fuwele pia huathiri hatua zinazofuata za uchujaji, uoshaji, ukaushaji, usafirishaji na uundaji wa bidhaa.

Fuwele za anisotropiki zenye umbo la sindano au bamba ni muhimu hasa. Fuwele ndefu na nyembamba zinaweza kuleta ukinzani mkubwa katika matabaka ya kichujio, kusababisha matatizo ya mtiririko au kuvunjika wakati wa uchakataji wa kimitambo. Modeli za mwelekeo mmoja zinazowakilisha fuwele kwa kipenyo kimoja bainifu haziwezi kueleza vya kutosha mifumo kama hii ambapo urefu na upana hukua kwa kasi tofauti.

Katika kiwango cha maabara, mchanganyiko unaweza kukaribia hali kamilifu. Tanki linapokuwa kubwa zaidi:

• Tofauti za halijoto zinaweza kutokea kati ya ukuta na katikati.
• Utawanyaji wa nishati ya turbulensi unaweza kuongezeka karibu na kichanganyaji na kupungua katika maeneo ya mbali.
• Muda wa uchanganyaji na muda wa ukuaji wa fuwele unaweza kukaribiana.
• Uundaji wa viini unaweza kutegemea si wastani wa kujaa kupita kiasi pekee, bali pia hali za eneo za migongano na mmomonyoko.
• Thamani za wastani katika tanki lote zinaweza kuficha hali za eneo ambako bidhaa huundwa.

Suluhisho la kina zaidi ni kutatua kwa wakati mmoja mienendo ya kiowevu ya kikokotozi na milinganyo ya usawaziko wa idadi katika kila seli ya tanki. Hata hivyo, katika mchakato wa ukristalishaji wa saa nyingi, kukokotoa mgawanyo wa fuwele wenye vipimo viwili vya ndani pamoja na mamilioni ya seli za mtiririko kunaweza kuchukua saa au siku hata kwa hali moja ya uendeshaji.

Mbinu kuu ya utafiti

Mbinu iliyopendekezwa ya PIMC-PBM huunda kiwango cha kati kati ya modeli ya eneo moja iliyochanganyika kikamilifu na suluhisho kamili la CFD-PBE. CFD hutumiwa tu kubainisha tabia ya haraka ya kihaidrodinamiki na ya muda mfupi ya joto ya reakta. Taarifa hii kisha huhamishwa kwenye modeli yenye sehemu, inayokokotoa mchakato mrefu wa ukristalishaji kwa gharama ya chini zaidi.

Mfumo huu una vipengele vinne vya msingi:

1. Modeli ya CFD inayokokotoa uga wa kasi na turbulensi wa reakta,
2. Mbinu ya uboreshaji inayogawanya reakta katika maeneo yenye maana ya kifizikia,
3. Modeli mbadala ya joto ya daraja la chini inayokokotoa halijoto ya kila eneo,
4. Modeli ya usawaziko wa idadi ya pande mbili inayofuatilia urefu na upana wa fuwele kwa pamoja.

Kiyeyusho cha lita kumi kiligawanywa katika maeneo saba

Utafiti uliunda modeli ya kifuwelezaji cha bechi kinachochanganywa, chenye mpangilio wa vile viwili na ujazo wa kufanya kazi wa lita 10. Wavu wa O-grid wenye takribani seli milioni 1,5 ulitumika. Jiometri ya reakta na picha ya wavu katika ukurasa wa 26 zinaonyesha vile vya chini na juu vya kichanganyaji, kiolesura cha kiowevu-hewa na wavu wa ukokotoaji uliosongamana karibu na ukuta.

Kulingana na matokeo ya CFD, reakta kiligawanywa katika maeneo saba yafuatayo:

Mipaka ya sehemu haikuwekwa kwa mkono au kwa tathmini ya kuona pekee. Watafiti walitumia algoriti ya uboreshaji wenye malengo mengi ya NSGA-II ili kufanya mgawanyo wa kasi na utawanyaji wa nishati ya turbulensi ndani ya kila sehemu uwe sare kadiri iwezekanavyo.

Kazi mbili lengwa zilitegemea masafa baina ya robo ya kasi na utawanyaji wa nishati:

\[ f_1(\mathbf{d})=\operatorname{IQR}(u) \]

\[ f_2(\mathbf{d})=\operatorname{IQR}(\varepsilon) \]

Hapa u inaonyesha ukubwa wa kasi, ε kasi ya utawanyaji wa nishati ya kinetiki ya turbulensi, d na vipimo vinavyoamua jiometri ya sehemu. Katika grafu saba za Pareto kwenye ukurasa wa 27, uwiano wa kubadilishana kati ya usawa wa kasi na usawa wa utawanyaji wa nishati kwa kila sehemu, pamoja na suluhisho lililochaguliwa, unaonyeshwa kwa nyota nyekundu.

Unyeti wa juu zaidi ulionekana katika sehemu ya nne ilipo kichanganyaji cha chini. Mipaka ya sehemu ilipobadilishwa ili kujumuisha vyema miundo ya mzunguko tena inayotokana na kichanganyaji, mgawanyo wa utawanyaji wa nishati ndani ya eneo ulipungua kwa dhahiri.

Modeli ya CFD iliundwaje?

Mahesabu ya mtiririko yalifanywa katika mazingira ya OpenFOAM. Kiowevu kilichukuliwa kuwa kisichobanika na cha Newton. Mzunguko wa kichanganyaji uliwakilishwa kwa mbinu ya Mfumo wa Marejeo Mengi badala ya kutatua moja kwa moja mwendo wa vile unaotegemea muda.

Mlinganyo wa momentamu katika mfumo wa marejeo unaozunguka ulitolewa katika utafiti kwa namna hii:

\[ \nabla\cdot(\rho\mathbf{u}_r\mathbf{u}) +\rho(\boldsymbol{\omega}\times\mathbf{u}) = -\nabla p+\rho\mathbf{g}+\mu\nabla^2\mathbf{u} \]

Hapa u inawakilisha kasi kamili, u_r kasi linganifu kwa mfumo unaozunguka, ω kasi ya pembe, p shinikizo na μ mnato badilifu.

Mtikisiko ulikokotolewa kwa modeli sanifu ya k-ε RANS. Hali ya kutoteleza na vitendakazi vya ukuta vilitumika ukutani, huku hali ya kuteleza ikitumika kwenye kiolesura cha kiowevu-hewa. Uwekaji wa nafasi wa daraja la pili ulitumika kwa vigeu vyote ili kupunguza utawanyaji wa kinamba.

Mahesabu ya uga wa mtiririko yalifanywa kwa viini 64 vya kichakataji, na kila hali ya CFD ilichukua takribani dakika 20. Sampuli za CFD za halijoto zinazotegemea muda zilihitaji takribani saa 24 za muda wa ukutani.

Uhamishaji wa joto wa muda mrefu uliharakishwaje?

Badala ya kutatua kwa CFD mchakato mzima wa ukristalishaji wa saa nne au zaidi, sampuli fupi za dakika tatu za CFD ya joto zilitumiwa. Hali za kupoza na kupasha zenye halijoto ya ukuta ya 273 K na 373 K zilichukuliwa sampuli na modeli ya joto ya daraja la chini ikaundwa.

Usawaziko wa nishati wa kila sehemu uliwakilishwa na mlinganyo ufuatao:

\[ \rho C_pV_i\frac{dT_i}{dt} = \sum_{j\neq i}F_{j\rightarrow i}C_p(T_j-T_i) + hA_i(T_w-T_i) \]

V_i inaonyesha ujazo wa sehemu, F_j→i mtiririko wa ujazo kati ya sehemu, T_i halijoto ya sehemu, T_w halijoto ya ukuta na h kigawo halisi cha uhamishaji wa joto.

Sehemu saba za kihaidrodinamiki zilikusanywa katika makundi mawili makuu ili kupunguza zaidi ukokotoaji wa joto:

• Sehemu namba 1-3 zilizo karibu na ukuta,
• Sehemu namba 4-7 zilizo chini ya athari ya katikati na kichanganyaji.

Kigawo halisi cha uhamishaji wa joto kiliundwa kama kitendakazi cha daraja la kwanza cha halijoto:

\[ h=aT_i+b \]

Vigezo vilitafutwa kwanza kimataifa kwa algoriti ya kijenetiki, kisha vikaboreshwa kwa mbinu ya miraba midogo isiyo ya mstari. Vipindi vya kujiamini vilikokotolewa kwa mbinu ya Levenberg-Marquardt.

Fuwele zilifuatiliwa katika vipimo viwili

Modeli haiwakilishi fuwele kwa kipenyo kimoja sawa, bali kwa viwianishi vya urefu l na upana w ambapo msongamano wa idadi katika kila sehemu unaonyeshwa kwa n_z(l,w,t) katika uashiriaji huo.

Mlinganyo uliorahisishwa wa usawaziko wa idadi ya pande mbili una muundo ufuatao:

\[ \frac{\partial n_z}{\partial t} + \frac{\partial(n_zG_{l,z})}{\partial l} + \frac{\partial(n_zG_{w,z})}{\partial w} = \delta(l-l_n)\delta(w-w_n)B_z + \sum_{k\neq z} \frac{F_{k\rightarrow z}}{V_z} (n_k-n_z) \]

Kipengele cha kwanza cha mlinganyo kinaonyesha mabadiliko yanayotegemea muda, vipengele vya pili na tatu vinaonyesha ukuaji wa fuwele katika mielekeo ya urefu na upana, kipengele cha delta ya Dirac kinaonyesha uundaji wa viini vipya katika ukubwa fulani wa mwanzo, na kipengele cha mwisho kinaonyesha usafirishaji wa fuwele kati ya sehemu.

Mbegu ya mwanzo ilifafanuliwa kwa mgawanyo wa Gauss wa pande mbili. Wastani wa urefu wa fuwele ulikuwa 200 µm, wastani wa upana 100 µm; na vigezo vya mgawanyo katika mielekeo yote miwili vilichaguliwa kuwa 150 µm.

Modeli inapuuza kuvunjika, uunganishaji na kuyeyuka. Kwa hiyo, matokeo yanaishia kwenye hali za ukristalishaji ambako ukuaji na uundaji wa viini vya pili vinatawala.

Mbinu ya momenti ilipunguzaje ukokotoaji?

Badala ya kutatua seli zote za urefu-upana kwa muda katika kila sehemu, momenti mseto za mgawanyo wa idadi zilikokotolewa kwanza:

\[ \mu_{ij,z}(t) = \int_0^\infty\int_0^\infty w^il^j n_z(l,w,t)\,dl\,dw \]

Momenti za daraja la chini zinawakilisha idadi ya fuwele, wastani wa ukubwa na ujazo wa jumla wa fuwele kwa idadi ndogo ya milinganyo tofauti. Hivyo, mienendo ya msingi ya ukristalishaji inaweza kutatuliwa haraka kwa mbinu ya kawaida ya momenti.

Hata hivyo, momenti pekee zinapotumiwa, mgawanyo mzima, muundo wenye vilele vingi au tabia ya mkia inaweza kupotea. Kwa hiyo, watafiti walitatua mienendo ya mchakato kwa SMOM na kuunda upya mgawanyo wa mwisho wa ukubwa wa fuwele wa pande mbili kwa mbinu ya ujazo kikomo yenye azimio la juu.

Mbinu ya ujazo kikomo yenye azimio la juu

Katika mbinu ya HRFVM, eneo la urefu na upana liligawanywa katika wavu wa kawaida wa ukokotoaji. Fuwele zilipokua, msongamano wa idadi ulihamia kutoka seli za ukubwa mdogo kwenda seli za ukubwa mkubwa zaidi.

Mpango wa mkondo wa juu wa daraja la kwanza ulitoa uthabiti, huku marekebisho ya daraja la pili yakipunguza utawanyaji wa kinamba. Kikomo cha mtiririko kilitumika kuzuia misukosuko isiyo ya kifizikia kwenye mipaka mikali ya mgawanyo:

\[ \phi(\theta)=\frac{|\theta|+\theta}{\theta+1} \]

Katika maeneo laini, mbinu hukaribia usahihi wa daraja la pili, huku katika gradieni kali ikirudi kwenye tabia thabiti zaidi ya daraja la kwanza.

Kujaa kupita kiasi, ukuaji na uundaji wa viini

Kujaa kupita kiasi kwa kila sehemu kulikokotolewa kutoka mkusanyiko wa eneo na umumunyifu unaotegemea halijoto:

\[ \sigma_z=\frac{C_z-C_s(T_z)}{C_s(T_z)} \]

Umumunyifu uliwakilishwa kwa polinomu ya halijoto ya daraja la pili:

\[ C_s=a+bT_z+cT_z^2 \]

Kasi za ukuaji wa fuwele katika mielekeo ya urefu na upana zilitolewa kwa mahusiano tofauti:

\[ G_{l,z}=k_{gl}\sigma_z^{g_l} \]

\[ G_{w,z}=k_{gw}\sigma_z^{g_w} \]

Utenganishaji huu unaruhusu fuwele kutokua kwa kasi sawa katika mielekeo miwili na uwiano wa vipimo kubadilika katika mchakato.

Uundaji wa viini vya pili ulihusishwa na kujaa kupita kiasi, ujazo uliopo wa fuwele na utawanyaji wa nishati wa eneo:

\[ B_z=k_s\sigma_z^sM_{t,z}^{\,j}D_{\varepsilon,z} \]

Athari ya utawanyaji wa nishati inapowashwa, uundaji wa viini unaohusishwa na migongano ya fuwele kwa fuwele na mmomonyoko wa uso unaweza kuimarika katika maeneo yenye turbulensi mkubwa karibu na kichanganyaji.

Utendaji wa ukokotoaji

Ulinganisho wa kwanza ulifanywa kwenye modeli ya ukristalishaji ya sehemu moja iliyochanganyika kikamilifu. HRFVM kamili na SMOM-HRFVM mseto zililinganishwa katika maazimio yale yale ya wavu.

Tofauti za momenti zilizoripotiwa kwa kiasi kikubwa zilibaki chini ya asilimia 0,514. Hivyo, ongezeko la kasi lilipatikana bila upotevu mkubwa katika usahihi wa momenti za msingi.

Katika ukokotoaji wa sehemu saba, tofauti ikawa wazi zaidi:

Watafiti wanaeleza ongezeko la jumla la kasi kuwa kati ya daraja moja na mawili kulingana na ukubwa wa tatizo. Matokeo yenye nguvu zaidi yanayoweza kulinganishwa moja kwa moja katika jedwali ni kasi ya takribani mara 23,5.

Tofauti ya halijoto ilibadili ukuaji hata mkusanyiko ulipokuwa sawa

Kutokuwa sare kwa nafasi kuliongezwa kwenye modeli hatua kwa hatua. Katika hali ya kwanza, muundo wenye sehemu ulikuwa karibu na tabia ya mchanganyiko kamilifu. Katika hali ya pili, tofauti za halijoto zinazosababishwa na ukuta ziliongezwa, na katika hali zilizofuata athari za uundaji wa viini zinazotegemea utawanyaji wa nishati zikaongezwa.

Katika grafu za ukurasa wa 30, mikunjo ya mkusanyiko wa dutu iliyoyeyushwa ya sehemu zote karibu inafunikana. Sababu ni kwamba katika hali za msingi zilizochunguzwa, uchanganyaji kati ya sehemu ni wa haraka kuliko kinetiki ya ukristalishaji.

Kinyume chake, mikunjo ya kujaa kupita kiasi na kasi ya ukuaji katika mwelekeo wa upana kwenye grafu hiyo hiyo hugawanyika katika makundi mawili. Sehemu namba 1-3 karibu na ukuta hufikia kujaa kupita kiasi na kasi ya ukuaji ya juu zaidi kutokana na halijoto ya chini. Sehemu namba 4-7 katikati hubaki na joto zaidi.

Matokeo haya yanaonyesha utaratibu muhimu wa kuongeza kiwango: hata kama kipimo cha wastani wa mkusanyiko kutoka tanki lote kinaonekana kuwa sare, tofauti za halijoto za eneo zinaweza kufanya ukuaji wa fuwele usiwe sare.

Mtikisiko uliamua eneo la uundaji wa viini

Katika hali za kwanza ambapo utawanyaji wa nishati haukuathiri uundaji wa viini, mikunjo ya uundaji wa viini ya sehemu ilikuwa karibu. Kadiri utegemezi wa utawanyaji wa nishati ulivyoimarishwa, mikunjo ilitengana kwa dhahiri.

Grafu za uundaji wa viini katika ukurasa wa 31 zinaonyesha kwamba sehemu zilizo karibu na kichanganyaji na zenye utawanyaji mkubwa wa nishati zilikuwa vituo vikuu vya uundaji wa viini. Katika maeneo yenye turbulensi mdogo, uundaji wa viini ulikandamizwa kwa kiasi kikubwa.

Utaratibu huu huathiri mgawanyo wa mwisho wa bidhaa kwa njia mbili zinazopingana:

• Katika maeneo yenye turbulensi mkubwa, viini vipya zaidi huundwa na idadi ya fuwele ndogo huongezeka.
• Katika maeneo yenye uundaji mdogo wa viini, fuwele zilizopo huendelea kukua na kuunda chembe kubwa zaidi.

Ukubwa wa fuwele na uwiano wa vipimo vilibadilikaje?

Kwa kinetiki ya kawaida na kasi ya kupoza ya 0,0111 °C/s, kutokuwa sare kwa halijoto pekee kulibadili kidogo sana uwiano wa mwisho wa vipimo. Kadiri uundaji wa viini unaotegemea utawanyaji wa nishati ulivyoimarishwa, wastani wa ukubwa wa fuwele uliongezeka kwa dhahiri.

Hali ya kwanza na ya tano zilipolinganishwa, upana uliopimwa kwa ujazo uliongezeka kwa takribani asilimia 24,5 na urefu kwa takribani asilimia 25,5. Mabadiliko ya uwiano wa vipimo yalibaki madogo zaidi, yakiongezeka kutoka 2,23 hadi 2,25.

Migawanyo ya pande mbili katika ukurasa wa 32 inaonyesha kwamba hata ikiwa wastani wa uwiano wa vipimo unaonekana kufanana, nafasi ya msongamano wa chembe katika tambarare ya urefu-upana na umbo la mgawanyo hubadilika. Kwa hiyo, kuangalia tu wastani wa uwiano wa vipimo hakuonyeshi tofauti zote katika mgawanyo wa bidhaa.

Upozaji polepole uliunda fuwele ndefu zaidi

Kasi ya kupoza ilipopunguzwa kutoka 0,0111 °C/s hadi 0,0011 °C/s, fuwele zilipata muda zaidi wa kukua. Kwa sababu ukuaji katika mwelekeo wa urefu ulikuwa mkubwa kuliko katika mwelekeo wa upana, uwiano wa vipimo ulifikia takribani masafa ya 2,91-2,95.

Katika hali ya tano yenye kutokuwa sare zaidi kwa kihaidrodinamiki, wakati wa kupoza polepole upana uliopimwa kwa ujazo ulikokotolewa kuwa 269,7 µm, urefu 785,1 µm na uwiano wa vipimo 2,91.

Ugunduzi huu unaonyesha kwamba programu ya kupoza inaweza kubadili si wastani wa ukubwa wa fuwele pekee, bali pia mgawanyo wa ukuaji kati ya mihimili miwili.

Nini kilitokea wakati muda wa uchanganyaji na ukristalishaji uliposhindana?

Watafiti waliongeza mara 90 konstanti za ukuaji wa fuwele ili kufupisha kwa bandia muda wa ukristalishaji. Kwa kuwa muda wa uchanganyaji uliachwa vilevile, ushindani kati ya michakato hiyo miwili uliweza kuchunguzwa moja kwa moja.

Katika kinetiki ya msingi, mtiririko kati ya sehemu ulisawazisha haraka mkusanyiko wa dutu iliyoyeyushwa. Katika kinetiki iliyoharakishwa, fuwele zilianza kutumia kujaa kupita kiasi kwa kasi kuliko uchanganyaji ulivyoweza kusawazisha. Kwa hiyo, badala ya mkunjo mmoja wa mkusanyiko, mikunjo saba tofauti ya sehemu iliundwa.

Katika maeneo baridi zaidi karibu na ukuta, ukuaji na matumizi ya dutu iliyoyeyushwa viliharakishwa. Maeneo ya katikati yalipunguzwa kwa ubadilishanaji kati ya sehemu. Hivyo ilionyeshwa kwamba jambo la kuamua katika kuongeza kiwango si kasi ya uchanganyaji pekee wala kasi ya ukuaji wa fuwele pekee, bali ni uwiano wa nyakati hizo mbili.

Ingawa kasi za uundaji wa viini katika ukuaji ulioharakishwa zilionyesha tofauti kubwa kati ya sehemu, mchakato uliendelea kutawaliwa na ukuaji. Kwa hiyo, migawanyo ya mwisho ya fuwele iliyopimwa kwa ujazo ilibaki karibu. Katika migawanyo ya ukurasa wa 35, uwiano wa vipimo unaonekana kuwa 1,44 katika hali ya msingi na takribani 1,50 katika hali zisizo sare.

Hii ina maana gani kwa uhandisi?

Utafiti unaonyesha kwamba wakati wa kuongeza kiwango cha ukristalishaji, kuangalia tu wastani wa halijoto ya tanki, mzunguko wa kichanganyaji au wastani wa kujaa kupita kiasi huenda kusitoshe. Nyuma ya wastani uleule wa mkusanyiko kunaweza kuwa na historia tofauti za halijoto, ukuaji na uundaji wa viini.

Mfumo uliopendekezwa unaweza kutathminiwa hasa kwa madhumuni yafuatayo:

• Kutabiri mabadiliko ya mofolojia kati ya reakta vya maabara na vya uzalishaji,
• Kuchunguza athari ya nafasi na kasi ya kichanganyaji kwa ukubwa wa fuwele,
• Kubuni programu za kupoza ukuta na mizunguko ya joto,
• Kudhibiti uwiano wa vipimo wa fuwele za umbo la sindano au bamba,
• Kuchunguza haraka hali nyingi za uendeshaji katika mazingira ya kidijitali,
• Kuendeleza mapacha wa kidijitali wa ukristalishaji wenye gharama ndogo ya ukokotoaji.

Hata hivyo, modeli haipaswi kuunganishwa moja kwa moja na udhibiti wa uzalishaji bila uthibitishaji wa majaribio. Kwa kila kampaundi ya kikemikali, utegemezi wa umumunyifu, ukuaji, uundaji wa viini na utawanyaji wa nishati lazima ubainishwe kwa majaribio.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa utafiti

Utafiti huu wa uhandisi wa kemikali wa kikokotozi unategemea uundaji wa modeli ya usawaziko wa idadi ya pande mbili yenye sehemu nyingi iliyoarifiwa na CFD na tathmini yake kwa ulinganisho wa kinamba.

Hali za msingi za uendeshaji

Programu na rasilimali za ukokotoaji

• Msimbo wa HRFVM uliundwa kwa lugha ya C na kuunganishwa na MATLAB kama MEX.
• Milinganyo ya SMOM ilitatuliwa kwa hati za MATLAB.
• Ulinganisho wa PBM ulifanywa kwa uzi mmoja kwenye kompyuta ya mezani yenye Intel Core i9-12900KF na kumbukumbu ya 32 GB DDR5.
• Mahesabu ya mtiririko wa CFD yalichukua takribani dakika 20 kwenye viini 64 vya CPU.
• Mahesabu ya muda ya halijoto ya CFD yalichukua takribani saa 24.
• Uboreshaji wa sehemu ulichukua takribani dakika 30 kwenye kiini kimoja cha CPU.
• Utoaji wa mtiririko kati ya sehemu ulikamilika kwa takribani dakika 5 kwenye viini 8 vya CPU.

Matokeo makuu ya kinamba

• Mbinu mseto ilitoa kasi ya takribani mara 3,2-7,2 katika modeli za sehemu moja, kutegemea azimio.
• Katika wavu wa sehemu saba wa 100 × 100, muda wa ukokotoaji ulipungua kutoka sekunde 1.245,6 hadi sekunde 53,1.
• Wakati suluhisho kamili za HRFVM za sehemu nyingi za 200 × 200 na 300 × 300 hazikuweza kukamilika kwa muda unaofaa, mbinu mseto ilifanya kazi kwa sekunde 841,5 na 1.667,3 mtawalia.
• Katika hali za kinetiki ya msingi, tofauti za mkusanyiko kati ya sehemu zilibaki katika kiwango cha kupuuzwa.
• Tofauti za halijoto ya ukuta zilibadili kujaa kupita kiasi na kasi ya ukuaji kwa maeneo huku mkusanyiko ukibaki sawa.
• Uundaji wa viini unaotegemea utawanyaji wa nishati uligeuza maeneo karibu na kichanganyaji kuwa vituo vikuu vya uundaji wa viini.
• Katika upoaji wa haraka wa kawaida, uwiano wa vipimo ulibaki katika masafa ya 2,23-2,25.
• Katika upoaji polepole, uwiano wa vipimo uliongezeka hadi takribani masafa ya 2,91-2,95.
• Konstanti za ukuaji zilipoongezwa mara 90, uga wa mkusanyiko uligawanyika katika mikunjo saba tofauti ya maeneo.
• Katika ukuaji ulioharakishwa, licha ya tofauti kubwa za eneo katika uundaji wa viini, mgawanyo wa mwisho wa ujazo ulibadilika kidogo kutokana na ukuaji kutawala.

Kikomo cha uthibitishaji na ulinganisho

Usahihi wa kinamba wa modeli ulitathminiwa kwa kulinganisha momenti za SMOM na matokeo ya HRFVM pamoja na muda wa ukokotoaji katika maazimio tofauti ya wavu. Ingawa inaelezwa kwamba wavu wa CFD wa reakta ulichaguliwa kuwa na takribani seli milioni 1,5 baada ya utafiti wa ukaribiaji wa wavu, jedwali la kina la thamani za ukaribiaji wa wavu halikutolewa.

Utafiti haukufanya uthibitishaji wa moja kwa moja kwa vipimo vya kasi, halijoto, mgawanyo wa ukubwa wa fuwele au uwiano wa vipimo kutoka reakta halisi. Kwa hiyo, matokeo yanapaswa kutathminiwa katika kiwango cha ulinganisho wa kinamba ndani ya modeli na uthabiti wa kimakanika.

Mapungufu muhimu

• Utafiti ni chapisho la awali ambalo halijapitiwa na wataalamu rika.
• Matokeo ya mwisho ya ukubwa wa fuwele na uwiano wa vipimo hayajathibitishwa kwa jaribio halisi.
• Hakuna ulinganisho wa nyuga za kasi na turbulensi za CFD na vipimo vya majaribio uliotolewa.
• Taratibu za kuvunjika, uunganishaji na kuyeyuka hazikujumuishwa katika modeli.
• Kila sehemu imechukuliwa kuwa sare ndani yake kwa halijoto, mkusanyiko na utawanyaji wa nishati.
• Uga wa mtiririko umechukuliwa kuwa tulivu kiasi katika mchakato wote wa ukristalishaji.
• Imedhaniwa kwamba mabadiliko ya halijoto hayabadili uga wa mtiririko kupitia tofauti za msongamano na konveksheni asilia.
• Modeli ya joto inapunguza sehemu saba za kihaidrodinamiki kuwa maeneo mawili ya halijoto.
• Utegemezi wa uundaji wa viini kwa utawanyaji wa nishati umewakilishwa kwa kipengele cha kijaribio.
• Vigezo vya kinetiki haviwezi kuhamishwa moja kwa moja kwenda vitu au reakta vingine.
• Hakuna seti wazi ya data au hazina ya msimbo chanzo iliyobainishwa katika utafiti.
• Katika Jedwali la 6 na Jedwali la 7, vichwa vya safu za makosa vimerudiwa kwa alama ileile ya momenti; haieleweki wazi kutoka vichwa vya jedwali ni momenti zipi tofauti zilizolinganishwa.
• Maelezo ya Kielelezo cha 11 katika ukurasa wa 33 hayaonekani kulingana na grafu zilizoonyeshwa za mkusanyiko, kujaa kupita kiasi na ukuaji; hali hii inaonyesha kosa la maelezo ya kielelezo au la nambari katika chapisho la awali.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Utafiti asili: “A Physics-Inspired Multi-compartmental (PIMC) Population Balance Framework for Size and Aspect Ratio Control in Crystallization Scale-Up.”

Waandishi: Yung-Shun Kang, Antonello Raponi na Zoltan K. Nagy.

Mwandishi wa mawasiliano: Zoltan K. Nagy. Hakuna tamko la mchango sawa.

Taasisi: Davidson School of Chemical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana, Marekani; Mines Saint-Étienne, Univ Lyon, CNRS, UMR 5307 LGF, Centre SPIN, Saint-Étienne, Ufaransa.

Michango ya waandishi: Yung-Shun Kang alichukua jukumu la uundaji wa dhana, programu, utafiti, mbinu na rasimu ya kwanza; Antonello Raponi la programu, mbinu na tathmini ya maandishi; Zoltan K. Nagy la uundaji wa dhana, ushauri, usimamizi wa mradi na upatikanaji wa ufadhili.

Aina ya chanzo: Utafiti asili wa uhandisi wa kemikali wa kikokotozi na chapisho la awali.

Mwaka: 2026.

Hali ya mapitio ya wataalamu rika: Utafiti haujapitiwa na wataalamu rika. Matokeo hayapaswi kutathminiwa kama matokeo ya jarida yaliyopitiwa na ya mwisho.

Jukwaa: SSRN.

Jarida linalopitiwa na wataalamu rika: Hakuna taarifa ya kukubaliwa au kuchapishwa katika jarida lolote linalopitiwa na wataalamu rika.

DOI:10.2139/ssrn.6948349

Kiungo rasmi cha utafiti:Rekodi ya utafiti ya SSRN

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono kwa sehemu na ruzuku namba 2132142 ya Wakfu wa Kitaifa wa Sayansi wa Marekani. Usaidizi wa kifedha wa sehemu na ushirikiano wa utafiti wa Corteva Agriscience pia ulitajwa.

Mgongano wa maslahi: Tamko la mgongano wa maslahi halipo katika maandishi.

Ufikiaji wa data na msimbo: Hakuna kiungo cha seti wazi ya data, faili za modeli au hazina ya msimbo chanzo kilichotolewa.

Mbinu, milinganyo, hali za CFD, muda wa ukokotoaji, matokeo ya ukubwa wa fuwele, tafsiri za vielelezo na majedwali, matokeo na mapungufu katika maudhui haya yanategemea utafiti uliochunguzwa. Vyanzo vya nje vilitumika tu kwa uthibitishaji wa kibibliografia wa jina, utambulisho wa waandishi, taasisi, DOI, jukwaa na kiungo rasmi cha utafiti; hakuna matokeo ya kisayansi yasiyokuwamo katika utafiti yaliyoongezwa.