barracuda 24.0 用户手册中英文翻译(第十章化学反应)

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10。化学反应

化学反应可以影响流化床行为的各个方面，在Barracuda中，考虑化学反应的影响以及粒子流体动力学和传热是很重要的。根据所考虑的系统，化学反应可能与床内的颗粒流体动力学和传热紧密耦合。例如，从颗粒中产生或消耗气体的反应将产生气体体积变化，从而影响床内的流化。相反，反应速率和反应物可用性将是流化模式产生的气体混合的强烈函数。在热模型中，通过与温度相关的反应速率表达式和反应的放热性或吸热性，反应速率与床层中的温度紧密耦合。在许多情况下，当考虑系统内的化学反应时，流化床模型要真实得多。

由于化学反应表达式和机理既来源于理论推导，也来源于实验关联，因此文献中不同反应类型和反应速率表达式形式的范围非常广泛。此外，Barracuda中的化学模块可以有效地用于模拟许多非反应过程，包括相变和物理吸附和解吸气体。为了适应这些不同的需求，在Barracuda中有多种输入和计算化学反应的方法。要了解这些不同方法的适用性，有必要首先确定流化床模型中常见的反应特征。

流化床反应器中的典型化学反应可分为两类：均相反应，仅发生在流体相中；以及非均相反应，即粒子作为反应物、生成物或催化剂参与反应。非均相反应还可分为沉积反应、消耗反应、催化反应和颗粒反应等附加类别。

均相反应（流体相）这种反应发生在流体相中，只涉及流体相反应物和生成物。反应速率可能取决于流体相反应物的组成、温度或其他流体性质。

沉积反应这是一种发生在颗粒表面的非均相反应，并从液相反应物中产生至少一种颗粒产物。反应速率可能取决于颗粒表面积、颗粒温度和液相反应物浓度。多晶硅沉积就是这类反应的一个例子。

消耗反应这是一种发生在颗粒表面的非均相反应，由至少一种颗粒反应物产生液相产物。反应速率可能取决于颗粒反应物的质量、颗粒温度和任何液相反应物的浓度。FCC再生中的焦炭燃烧就是这类反应的一个例子。

催化反应这是一种流体相反应物和生成物的非均相反应，依赖于颗粒（催化剂）的存在使反应进行。虽然反应速率可能取决于存在的催化剂的质量或表面积，但催化剂不会作为反应的结果被消耗或产生。反应速率也可能取决于液相反应物的浓度或温度。

颗粒反应发生在颗粒表面或颗粒体积内的非均相反应，其中反应物和生成物都是颗粒内的物质。反应速率通常取决于颗粒反应物的质量、液相反应物的浓度以及颗粒或流体的温度。气体在固体吸附剂上的吸附就是这类过程的一个例子。

不可压缩流动

在流体类型设置为不可压缩的模拟中，气泡可以通过速率系数影响反应速率。然而，气泡中的气体和蒸汽物质不能参与化学反应。

化学计算方法

Barracuda提供了两种方法来计算模型中的化学反应。第一种方法是体积平均化学，在单元水平上计算反应（欧拉）。正因为如此，体积平均化学最适合用于主要发生在流体中的均相反应和催化反应。虽然也可以将体积平均化学用于其他非均相反应，但这样做并不可取，因为所有的颗粒依赖性将基于颗粒性质的单元水平平均值，而不是单个颗粒性质。对于大多数非均相反应，离散粒子化学是首选的方法。离散粒子化学使用单个计算粒子的温度、质量和其他性质，在模型内的每个计算粒子（拉格朗日量）上进行计算。虽然这种方法可能会有稍高的计算成本，但这种成本经常被模型中分辨率提高的好处所抵消。离散粒子化学不能用于模拟均相反应。

反应输入形式

一个完全描述的反应指定了反应进行的反应物、生成物和速率。在Barracuda中，有两种方法可以指定此反应信息。第一种是化学计量方法，将反应写成化学计量方程，并为整个反应指定反应速率。例如，碳的蒸汽气化反应会以化学计量形式写成：

其中:

T为温度

ρc是碳的局部体积密度

[H2O]是流体中水的浓度

或者，在组分或微分形式中，将每种反应物或生成物的反应速率明确地表述为反应速率表达式或不同物质反应速率的函数。例如，蒸汽气化反应可以用组分形式表示为：

虽然这两种方程形式描述了相同的反应，但化学计量形式更容易输入，并且可能更熟悉，而组分形式提供了更大的灵活性。在反应中讨论的反应窗口中，体积平均反应可以用两种方法指定。离散粒子反应必须以种的形式输入。

反应速率系数

在Barracuda中，创建反应速率系数来描述与温度、压力、流体密度、流体体积分数和颗粒特性（如大小和组成）相关的反应速率。然后将这些系数用作完整反应速率表达式中的构建块。例如，在Barracuda中，通过使用反应速率系数来定义蒸汽气化反应

注意，流体浓度没有包含在速率系数中，而是直接包含在反应速率表达式中。详见速率系数。

10.1。化学窗口

化学窗口如图10.1所示，显示适用于所有化学反应的设置。

图10.1化学窗口

从项目文件导入化学

单击从另一个项目导入材料/化学按钮将打开从项目导入对话框，在从另一个项目导入化学中讨论，通过该对话框，用户可以从另一个项目文件导入现有的化学反应和基础材料。

体积平均化学反应定义形式

当使用化学反应时，Barracuda要求用户只输入化学计量或组分形式的所有体积平均反应。在大多数情况下，用户将选择默认的化学计量设置。所选择的选项不影响离散粒子化学，必须始终以组分形式输入。

流体传质限制器

对于流体-颗粒化学，颗粒位于离散位置，流体分子必须移动到颗粒表面才能发生反应。流体分子在大部分流体中快速移动，因为对流和扩散都在发生。然后，流体分子到达颗粒周围的薄膜，它们必须通过薄膜扩散才能到达颗粒表面。流体传质限制器用于模拟通过薄膜的传质过程。注意，流体传质限制器仅适用于离散化学。

该模型仅适用于一阶流体-颗粒反应。当通过薄膜的扩散是限速步骤时，应使用该模型，该步骤发生在具有大传质限制的快速流体-颗粒反应中。对于离散颗粒反应，可以使用互补的缩核心模型来解释由于流体通过非反应性材料层传输而导致的反应速率限制。

流体传质限制器通过有效反应速率捕获非均相反应速率的潜在降低。离散粒子的有效反应速率方程为：

其中流体输运受限反应速率系数k’计算为：

(10.1)

其中:

kR为规定反应速率，单位为m3/s

kB为边界层流体输运速率，单位为m3/s

hm为流体传质系数，单位为m/s

Ap为颗粒表面积，单位为m2

流体传质系数计算为：

其中:

Dm,f为反应流体流向颗粒表面的扩散系数

Sh为舍伍德数，计算为：

雷诺数Re根据粒径计算，计算公式为：

其中:

rp为粒子半径

ρf是流体密度

up是粒子速度

uf是流体速度

μf为流体粘度

流体扩散系数Dm，f计算为：

其中:

Sc为湍流施密特数，近似为Sc=0.9

将反应产生的感热分配给粒子

Barracuda中反应产生的热量是根据模拟中反应的焓来计算的。焓的计算是基于基础材料编辑器中为每种材料定义的标准生成热。每个反应的焓由以下公式计算：

其中:

ΔHr为反应焓

νi是物质i的化学计量系数

ΔHf,i为i种的生成焓

不可压缩流动

在流动类型被设置为不可压缩的模拟中，这一节将变成从反应到颗粒和气泡的分配感热，并且气泡在所有计算中都被视为颗粒。

焓计算是在质量基础上对流体和颗粒相进行的。这些计算的结果作为显热分布到系统中。用于体积平均反应和离散粒子反应的热量分配的方法可以独立控制。对于每种类型的反应，都可以将一部分显热分配给颗粒相，其余部分分配给周围的流体。可通过自动和手动设置来指定这种分布。

Automatic（默认）Distribution根据[MSSH15]的模型计算。反应发生在颗粒上，并通过以下方式与体流体交换显热：

§在流体温度下，反应物流体对颗粒的对流

§在颗粒温度下，生成物流体向散装流体的对流

手动根据输入框中指定的量，将固定百分比的显能分配给颗粒相。剩余的量分配到流体中。例如:

§=显能分配给流体。粒子温度不会因反应而改变，但可能因传热或其他现象而改变。

§=反应的显热均匀地分布在颗粒和流体上。由于颗粒和流体之间的热质量不同，实际的温度变化可能会有所不同。

§ =显能完全分配给粒子。流体温度不会因反应而改变，但可能因传热或其他现象而改变。

关于Barracuda中如何确定焓的更多细节，以及软件如何耦合热学和化学计算，可以在[SCORourke11]中找到。

化学ODE设置

这些设置控制用于体积平均化学的CVODE解算器的操作。关于公差设置的有用讨论可以在CVODE FAQ页面上找到。

§相对容差：ODE集迭代解允许的最大相对容差。Sundials网页建议使用小于1e-03，但大于机器精度（1e-15）的值。

§绝对容差：ODE集迭代解允许的最大绝对容差，在处理非常接近零的数字时特别有用。

§最大步数：对于给定的计算单元，ODE求解器将执行的最大积分步数。

§最大循环次数：在ODE求解器执行最大步数之后，Barracuda求解器使用最新的未收敛结果迭代外部循环的最大次数。如果在此次数的循环后解决方案仍未收敛，Barracuda将输出警告消息“ODE求解器失败或未收敛”，将化学解决方案保留在当前时间步长的开始，并继续进行下一个计算单元。警告消息显示在求解器运行窗口中，同时也会记录在warning.log中。每个时间步的失败单元总数记录在history.log中。ODE失败的详细信息记录在info.log中。

10.2。速率系数

速率系数是Barracuda中定义的函数，用于指定依赖于温度、压力、流体密度、流体体积分数和颗粒特性（如大小和组成）的反应速率。一旦定义，反应速率系数可用于一个或多个反应速率表达式。

速率系数在速率系数窗口中进行管理，如图10.2所示，该窗口显示了所有现有的体积平均和离散速率系数的列表，并遵循添加、编辑、复制、删除GUI模式。在这个窗口中，每个速率系数都显示在单独的一行上。每个速率系数都有一个形式为的唯一名称，用于在反应速率表达式中引用速率系数。反应速率表达式的格式将在下面的化学计量、物质和离散部分中详细讨论。

图10.2加入体积平均速率系数的速率系数窗口

重新排列速率系数BarracudaGUI将每个新定义的速率系数附加到当前定义的系数列表；每个速率系数的ID号自动递增。在某些情况下，重新排列系数以使它们具有更好的逻辑顺序是有用的。“添加”、“编辑”、“复制”和“删除”按钮右侧的“向上”和“向下”箭头允许这样的重新排列。当前选择的速率系数在列表中向上或向下移动。

10.2.1。定义化学速率系数

在速率系数对话框中输入速率系数属性，如图10.3所示。当添加新的速率系数或编辑现有的速率系数时，此对话框将被激活。虽然一个通用的对话框用于定义体积平均和离散速率系数，但一些粒子单位将根据所选择的速率系数类型而改变。因此，用户必须选择速率系数是用于体积平均反应速率还是离散反应速率。

图10.3速率系数对话框

选择速率系数类型

多种类型的速率系数在Barracuda中可用，以适应广泛的可能的反应依赖性。

阿伦尼乌斯化学速率阿伦尼乌斯形式是最常用的速率系数形式，因为它通过c0、c1、c2、c3和c4常数提供了温度、压力、流体密度和流体体积分数的功能。通过单击粒子依赖按钮添加粒子项，该按钮会弹出粒子依赖对话框，在向反应速率添加粒子依赖中讨论。离散化学形式还包括通过c5常数将一些速率表达式转换为离散化学形式所需的额外Np/V依赖性（在体积平均和离散化学之间的转换中讨论）。

注意，活化能项E/T在分母中不包含通用气体常数R。将Barracuda输入参数EE视为激活温度而不是能量是有用的，因为它必须具有温度单位（K， F或C，由用户选择为流体相温度单位），以便正确定义反应速率系数。用户有责任将活化能除以通用气体常数RR，以确保术语E具有温度单位。

多项式形式允许通过c0、c1、c2、c3和c4常数以及粒子依赖性来规范四阶温度多项式。通过单击粒子依赖按钮添加粒子项，该按钮会弹出粒子依赖对话框，在向反应速率添加粒子依赖中讨论。当离散化学与多项式形式一起使用时，通过c5常数包含一个额外的Np/V依赖性，用于将一些速率表达式转换为离散化学形式（在体积平均和离散化学之间的转换中讨论）。

基于表的化学基于表的化学反应速率系数类型允许用户根据自变量和系数值之间的表格关系来定义速率系数。在表中的行之间执行线性插值，当自变量落在表的范围之外时，使用表的第一个和最后一个条目。

根据反应类型选择的系数，自变量将具有volumetric基（用于Volume-Average）或不具有（用于Discrete）。单位下拉框将显示反映两种化学类型之间差异的单位。

Import和Export按钮可用于以逗号分隔值（CSV）格式读取和写入表格。如果该表是在电子表格程序中创建的，那么这很有用，在这种情况下，它可以以CSV格式导出，并直接导入到Barracuda。

催化剂失活这是一个反应速率系数，其形式通常用于描述流体催化裂化（FCC）催化剂在颗粒上沉积焦炭时的失活[PNFB94]。在文献中，失活系数通常写为：

在BarracudaGUI中，该系数不表示为ϕ，而是表示为k0，k1等，类似于其他反应速率系数。AC=4.29和BC=10.4的默认值基于[NJR05]。这些值可由用户自行更改。

Cci项是一种或多种颗粒材料的质量百分比，相对于所有颗粒材料的总质量。在文献中，材料通常是简单的“焦炭”，但在Barracuda中，用户可以在项目基础材料列表中指定当前的任何材料。必须选择至少一种材料。

若将该系数用于体积平均化学，则Cci项定义为：

如果将该系数用于离散粒子化学，则Cci项定义为：

用户定义表达式这是一个反应速率系数，它使用解析器定义离散和体积平均速率系数，它提供了很大程度的灵活性，可以在速率系数中使用许多变量。有关如何使用解析器对话框的详细信息，请参阅用于用户定义表达式的解析器。以下是可用变量的完整列表。

表10.1速率系数可用变量
Re	粒子雷诺数（无因次），基于局部（非表面）流体速度
volfracF	流体体积分数（无量纲）
volfracP	颗粒体积分数（无因次）
volfracB	气泡体积分数（无因次），仅在流体类型设置为不可压缩的模拟中可用
thetaCP	紧密堆积时的颗粒体积分数（无因次）
diamP	颗粒直径，单位为m
diamSauter	Sauter单元中颗粒的平均直径，单位为m
sphericityP	粒子球度（无量纲）
densityP	颗粒密度，单位kg/m3
densityF	单元内流体密度，单位为kg/m3
viscF	流体粘度，单位为Pa⋅s
turbulentViscosity	湍流粘度，单位为Pa⋅s
dVelPF	相对粒子速度的大小，基于局部（非表面）流体速度，单位为m/s
cellVolume	单元体积，单位为m3
surfaceTension	以N/m为单位的流体表面张力，仅在流体类型设置为不可压缩的模拟中可用
重力	重力大小，单位为m/s2
X	粒子位置，x坐标以m为单位
Y	粒子位置，y坐标以m为单位
Z	粒子位置，z坐标以m为单位
pressure	流体压力，单位Pa
tempF	流体温度，单位为K
tempP	粒子温度，以K为单位
npCloud_volume	每个单元体积的粒子云数
residenceTime	粒子的停留时间，单位为秒
nf_	流体中气体的摩尔分数
mf_	流体中气体的质量分数
nf_	流体中蒸气的摩尔分数
mf_	流体中蒸气的质量分数
nf_	液体中液体的摩尔分数
mf_	液体在流体中的质量分数
volfrac_	物质在颗粒中的体积分数
area_	以颗粒为单位的物质面积，离散化学的单位为m2，体积平均化学的单位为m2/m3
diam_	材料的颗粒直径，单位为m
m0_	物质以颗粒为单位的初始质量，单位为kg
mass_	以颗粒为单位的物质质量，离散化学用kg表示，体积平均化学用kg/m3表示
area_all	粒子的面积，离散化学的单位为m2，体积平均化学的单位为m2/m3
diam_all	颗粒直径，单位为m
m0_all	一个粒子的初始质量，单位为kg
time	模拟时间，单位为s

指定速率系数单位

反应速率系数可以格式化为各种单位，这些单位在对话框右侧的下拉框中指定。在计算速率系数时，Barracuda会将一个属性转换为指定的单位，并在计算速率系数时使用该值。

流体相单位速率系数的值可以针对温度、压力和流体密度的不同单位进行计算。可供选择的单位有：

§温度：开尔文(K)、华氏度(F)或摄氏度(C)；

§压力：帕斯卡（Pa）、千帕斯卡（kPa）、磅每平方英寸（psi）、巴或大气压（atm）；

§密度：千克每立方米（kg/m^3），克每立方厘米（g/cm^3），磅每立方英尺（lb/ft^3）。

体积平均速率系数的粒子单位直径、质量和面积的粒子依赖项的单位也在速率系数对话框中指定。对于体积平均速率系数，可供选择的单位有：

§直径：米(m)、厘米（cm）、微米、英尺（ft）或英寸（in）；

§质量：千克每立方米（kg/m^3），克每立方厘米（g/cm^3），或磅每立方英尺（lb/ft^3）；

§面积：平方米每立方米（m^2/m^3），平方厘米每立方厘米（cm^2/cm^3），平方英尺每立方英尺（ft^2/ft^3），或平方英寸每立方英寸（in^2/in^3）。

离散粒子速率系数的粒子单位直径、质量和面积的粒子依赖项的单位也在速率系数对话框中指定。对于离散的速率系数，可供选择的单位有：

§直径：米(m)、厘米（cm）、微米、英尺（ft）或英寸（in）；

§质量：千克（kg），或克(g)，或磅（lb）；

§面积：平方米（m^2），平方厘米（cm^2），平方英尺（ft^2），或平方英寸（in^2）。

添加粒子依赖性

通过点击粒子依赖按钮来添加对粒子质量、面积、体积分数和直径的依赖，这将打开粒子依赖对话框。通过这个对话框添加粒子依赖项将在向反应速率添加粒子依赖中进一步讨论。

不可压缩流动

在流类型被设置为不可压缩的模拟中，粒子依赖按钮将变成粒子和气泡依赖按钮。

温度权重

对于具有粒子项的离散速率系数和体积平均速率系数，计算速率系数时使用的温度是流体温度和粒子温度的混合物，由位于“速率系数对话框”底部的流体温度加权因子和粒子温度加权因子确定。在速率系数TT内使用的温度计算为：

其中:

Tparticle对于体积平均速率系数，粒子是单元内所有颗粒的平均温度；对于离散化学速率系数，粒子是单个粒子的温度

Tfluid是单元的流体温度

Wparticle是粒子上的权重因子

Wfluid是流体上的权重因子

要求wfluid+wparticle=1。对于没有粒子项的体积平均速率系数，温度加权函数将失效，此时，T=Tfluid。

备注

遵循Comment FieldGUI模式。

10.2.2。在反应速率中加入粒子依赖性

点击速率系数对话框中的粒子依赖按钮，将弹出粒子依赖对话框，将粒子依赖添加到速率系数中，如图10.4所示。粒子依赖对话框用于体积平均和离散粒子速率系数，以基于材料列表中所有材料或任何单个材料的体积分数，面积，直径或质量创建粒子依赖项。粒子项也可以提升为指数。

不可压缩流动

在模拟中，流动类型被设置为不可压缩，气泡将以与颗粒相同的方式处理反应速率依赖。

图10.4粒子依赖对话框，将指数为1的碳质量项添加到组分列表中

在对话框的右侧是项目材料列表，其中包含了通过基础材料窗口和附加选项all在项目中定义的所有粒子材料。all选项表示一个单元格中所有粒子材料的总和（对于体积平均速率系数）或一个粒子中所有材料的总和（对于离散粒子速率系数）。

在项目材料列表中选择一个或全部颗粒材料，单击“导入”按钮，将颗粒相关项添加到材料列表中，从而为速率系数添加颗粒相关项。一旦添加了一个术语，用户就可以从下拉框中选择材料系数类型，并指定材料上的指数。

管理粒子依赖项已经添加到材料列表中的粒子项可以通过点击复制和删除按钮来复制或删除。或者，用户可以通过从项目材料列表中选择一个新材料，并单击替换按钮来替换材料列表中的材料。这将在保留系数类型和指数的情况下替换材料。

材料系数型

材料系数类型可以是所选材料的体积分数（volfrac）、表面积（area）、直径（diam）、质量、m/m0、1-m/m0、m0、-LN（1-m/m0）或-LN（m/m0）。每个项的定义取决于它是否被添加到体积平均或离散粒子速率系数中，以及该项是适用于单个材料还是适用于粒子中的所有材料。材料项是为体积平均化学中的每个单元和离散粒子化学中的每个粒子计算的，因此取决于每个范围内的粒子性质。所有系数类型定义都是根据以下变量计算的：

§ap，粒子p的表面积；

§mp，粒子p的质量；

§mp,i，物质i在粒子p上的质量；

§Vcell，计算化学反应的单元体积；

§vp，粒子p的体积；

§ρi，物质的密度i。

体积分数对于体积平均化学和离散粒子化学，粒子体积分数项的计算方法为在所选粒子材料在单元中的体积除以单元的体积，如（10.2）所示。当使用“全部”时，体积分数是单元内所有颗粒的体积除以单元的体积。体积分数项是无量纲的。

(10.2)

对于体积平均化学，计算单个和“所有”项的面积项如（10.3）所示。单个项是所有粒子面积的总和，由所选材料i的体积平均，除以单元的体积。如果使用“全部”，则面积项是单元格中所有颗粒的总面积除以单元格的体积。体积平均面积的单位是平方米每立方米（m^2/m^3）、平方厘米每立方厘米（cm^2/cm^3）、平方英尺每立方英尺（ft^2/ft^3）或平方英寸每立方英寸（in^2/in^3），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.3)

对于离散粒子化学，材料面积项是粒子的表面积乘以所选材料i在粒子上的质量分数。如果使用“全部”，则面积项为粒子的表面积，如（10.4）所示。离散粒子面积的单位是平方米（m^2）、平方厘米（cm^2）、平方英尺（ft^2）或平方英寸（in^2），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.4)

直径对于体积平均化学，直径项计算为Sauter平均直径。对于单个材料，这是计算为材料i在单元中的体积除以材料i在单元中的体积加权表面积。如果使用“全部”，则直径项计算为单元格中所有粒子的体积除以总粒子表面积之比。这两种定义见（10.5）。体积平均直径的单位是米(m)、厘米（cm）、微米、英尺（ft）或英寸（in），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.5)

对于离散粒子化学，直径项是粒子的直径乘以所选材料i在粒子上的质量分数，或者如果选择“all”则是粒子本身的直径，如（10.6）所示。离散粒子直径的单位是米(m)、厘米（cm）、微米、英尺（ft）或英寸（in），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.6)

对于体积平均化学，物质质量项的计算方法是在所选物质在单元内所有颗粒中的总质量除以单元的体积，如（10.7）所示。当使用“全部”时，质量项是单元内所有颗粒中所有物质的质量除以单元的体积。体积平均质量的单位是千克每立方米（kg/m^3），克每立方厘米（g/cm^3）或磅每立方英尺（lb/ft^3），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.7)

对于离散粒子化学，质量项是粒子中所选材料i的质量，如果选择“all”，则为整个粒子的质量。离散粒子质量的单位是千克（kg）、克(g)或磅（lb），这些单位在定义化学速率系数中讨论的速率系数对话框中指定。

(10.8)

m/m0对于离散粒子化学，这一项可以用来定义依赖于某一物质转化的化学反应。m是在《材料列表》中选择的粒子或特定材料的当前质量。下面将解释M0。

1-m/m0对于离散粒子化学，如果反应速率与粒子或所选物质的当前质量成反比，则使用这一项是更方便的形式。

对于离散粒子化学，这一项是粒子或在物质表中选择的特定物质的初始质量，默认单位为kg。注意，在粒子种类定义中为每种材料定义的年龄因子将乘以m0。这允许在模拟中初始化“旧”颗粒。例如，假设在特定粒子中碳的年龄因子为2，反应速率取决于碳的m0。在计算反应速率时，m0将乘以2，因为碳已经被设置为表现得好像它最初的质量是原来的两倍。

-LN（1-m/m0）对于离散粒子化学，这一项是自然对数（1-m/m0）

-LN（m/m0）对于离散粒子化学，这一项是自然对数（m/m0）

关于材料的指数

用户可以在此文本框中输入要包含在粒子项中的指数。指数值可以是正的，也可以是负的。请注意，任何求值为“0”且指数为负值的粒子项都会导致整个速率系数为零。

10.3。反应

模型中的所有化学反应都在反应窗口的Barracuda中进行管理，如图10.5所示。该窗口显示了已在模型中定义的所有现有体积平均反应和离散反应的列表，并允许用户在模型中添加、编辑、复制和删除反应。反应物和生成物以化学计量形式（对于体积平均反应）或微分形式（离散粒子化学）以及反应速率表达式和用户备注显示。

图10.5煤气化过程中样品反应反应窗口

通过点击Add按钮可以添加新的反应，该按钮将显示一个下拉框，用户可以从中选择体积平均化学计量方程，体积平均组分速率方程或离散粒子速率方程。这将为所选的反应类型弹出相应的反应对话框。分别在体积平均化学计量反应对话、体积平均物质反应对话和离散反应对话中讨论体积平均化学计量对话、体积平均物质种类对话和离散粒子反应对话。

请注意

一次只有一种类型的体积平均反应（化学计量或物质）可用。这是在化学窗口中选择的，在化学窗口中讨论。

编辑一个反应现有的反应可以通过从列表中选择该反应并点击Edit按钮进行编辑，或者双击列表中的反应行进行编辑。这样做会弹出相应反应类型的方程式编辑器对话框。分别在体积平均化学计量反应对话、体积平均物质反应对话和离散反应对话中讨论体积平均化学计量对话、体积平均物质种类对话和离散粒子反应对话。

复制一个反应一个现有的反应可以通过从列表中选择它并点击Copy按钮来复制。这将创建一条新的反应线，该反应线具有唯一的ID号，否则与原始反应完全相同。

删除一个反应用鼠标选中一个反应，点击Delete按钮，就可以从反应列表中删除该反应。

10.3.1。体积平均化学计量反应对话框

如图10.6所示，体积平均化学计量反应对话框提供了一个界面，用于定义化学计量形式的体积平均反应的化学计量、速率表达式和方程单位。当从反应窗口添加或编辑体积平均化学计量反应时，将显示此编辑器。

图10.6体积平均化学计量反应对话框显示水气移位反应的样品反应

定义反应化学计量学

化学计量方程定义了反应的反应物和生成物。对于体积平均反应，以标准化学形式将其输入到反应文本框中，其中反应物在左侧，生成物在右侧，反应物和生成物用右箭头分开。图10.6为和为反应物，和为生成物的反应样例。其他有效的化学计量方程有硅烷气体沉积固体硅，；固体碳的燃烧，，必须满足反应的质量平衡，反应才有效。

在Barracuda中输入化学计量方程时，采用了以下几种约定：

§分离反应物和生成物的右箭头表示为“”

§在化学名称后加上“”来标明任何液体物质

§在化学名称后加上“”来标明任何固体物质

§化学计量系数放在化学名称前面，中间用一个空格隔开

§当一个反应中有多个反应物或生成物时，用“”隔开

通过点击Check按钮，可以验证化学计量方程的格式和质量平衡。

添加化学名称化学计量系数、加号和右箭头必须直接输入到反应速率文本框中；然而，化学名称可以直接输入，也可以通过点击“添加化学物质”按钮添加。点击该按钮后，将弹出一个材料选择对话框，从中可以选择化学名称。然后，这将以正确的格式将化学名称放置在文本框中的光标位置。

指定反应速率

反应速率方程决定了反应发生的速度，可能取决于反应物的浓度、温度、压力、颗粒性质或其他因素。速率系数的产生和管理将在《速率系数》中进一步讨论。

速率系数和化学物质可用于在Barracuda中创建复杂的速率表达式。速率表达式的扩展格式如（10.9）所示，其中kk表示任意有效的速率系数，[C][C]表示任意有效的化学物质，cc为任意常数。此外，“基本群”的构建模块，BG；“求和群”，SG；“产物群”（PG）用于描述反应速率的全范围表达格式。

(10.9)

BarracudaGUI将接受广泛的反应速率表达式。在语法检查过程中，表达式由GUI转换为标准化格式。下面的示例既显示了用户键入的原始表达式，也显示了GUI转换后产生的（等效的）表达式。

表10.2Rate表达式解析器

注意：为了正确解析表达式，GUI需要上面示例中的粗体括号（）。如果GUI显示有关您试图输入的特定反应速率表达式的错误消息，请尝试在组周围使用一组额外的括号。这通常有助于解析过程。

浓度项可以是摩尔浓度、质量浓度、质量分数或分压，在反应速率对话框中的方程单位中定义。无论定义如何，浓度的格式都是相同的：方括号内的有效流体种类名称，。化学种类的名称可以直接输入到反应速率文本框中，也可以使用“添加化学物质”按钮添加。点击这个按钮后，会弹出一个材料选择对话框，可以从中选择一个有效的化学物质名称。然后，这将以正确的格式将选定的化学名称放置在文本框中的光标位置。

添加速率系数可以通过输入速率系数名称或点击添加体积平均系数按钮来添加速率系数。在体积平均反应速率中只能使用体积平均速率系数。

设定方程单位

反应速率和浓度项的单位从方程单位下拉框中选择。在评估反应速率表达式时，内部浓度值将根据所选择的类型和单位进行转换，计算值将在表达式内使用。评估后，将根据所选择的反应速率单位计算单元内反应物和生成物浓度的变化。反应速率表达式内任何速率系数的单位都是从用户选择的浓度和反应速率单位中隐含出来的。

反应速率单位可能的反应速率单位有mol/m3/s、mol/m3/min、mol/cm3/s、mol/cm3/min和kmol/m3/s。

流体种类单位流体种类项的单位可以是摩尔浓度（mol/m3,mol/cm3,kmol/m3），质量浓度（kg/m3,g/cm3），质量分数，或分压（Pa,kPa,atm,bar,psi）。

备注

遵循注释字段GUI模式。

10.3.2。体积平均物质反应对话框

如图10.7所示，体积平均物质反应对话框提供了定义单一物质反应速率的界面。当从“反应窗口”中添加或编辑体积平均种反应时，将显示此编辑器。

图10.7体积平均物质反应对话框

选择一个组分

定义体积平均反应速率的第一步是选择速率所依据的物质。这是通过点击Select species按钮并从列表中选择合适的组分来完成的。

指定反应速率

反应速率方程决定了反应发生的速度，它可能取决于反应物的浓度、温度、压力、颗粒性质或其他因素。流体浓度项直接用于Barracuda速率方程，而其他流体和颗粒因素则通过使用速率系数来捕获。速率系数的创建和管理将在速率系数中进一步讨论。

速率系数和化学物质可用于在Barracuda中创建复杂的速率表达式。速率表达式的扩展格式如（10.9）所示，其中k表示任意有效的速率系数，[C]表示任意有效的化学物质，c为任意常数。更进一步，“基本基团”的构建块，BG；“求和群”，SG；和“产物群”PG，用来描述全范围的反应速率表达格式。

添加速率系数可以通过输入速率系数名称或点击添加体积平均系数按钮来添加速率系数。在体积平均反应速率中只能使用体积平均速率系数。

设定方程单位

反应速率和浓度项的单位从方程单位下拉框中选择。在评估反应速率表达式时，内部浓度值将根据表达式中选择和使用的类型和单位进行转换。评估后，将根据所选择的反应速率单位计算单元内反应物和生成物浓度的变化。反应速率表达式内任何速率系数的单位都是从用户选择的流体浓度和反应速率单位中隐含出来的。

反应速率单位可能的反应速率单位有mol/m3/s、mol/m3/min、mol/cm3/s、mol/cm3/min和kmol/m3/s。

流体种类单位种类项的单位可以是摩尔浓度（mol/m3,mol/cm3,kmol/m3），质量浓度（kg/m3,g/cm3），质量分数，或分压（Pa,kPa,atm,bar,psi）。

备注

遵循注释字段GUI模式。

10.3.3。离散反应对话框

如图10.8所示，离散粒子反应对话框提供了定义离散粒子反应的化学计量学和反应速率表达式的界面。当在模型中添加或编辑离散粒子反应时，将显示此编辑器。离散粒子反应以微分形式指定，其中反应的化学计量通过每种物质的微分速率来表示。在图10.8所示的碳燃烧实例中，将C+O2→CO2方程的化学计量量输入Barracuda为：

图10.8离散反应对话框显示碳燃烧的样品反应

指定反应速率

在离散粒子化学中，决定反应发生速度的反应速率是为单一物质定义的。然后，材料可以是反应物，也可以是生成物，通过参与反应来定义化学计量。反应速率方程可能取决于反应物的浓度、温度、压力、颗粒性质或其他因素。Barracuda中使用的惯例是，浓度项直接用于速率表达式中，而其他流体和粒子依赖项则通过使用速率系数来捕获。速率系数的创建和管理将在速率系数中进一步讨论。

速率系数和化学物质可用于在Barracuda中创建复杂的速率表达式。速率表达式的扩展格式如（10.9）所示，其中k表示任意有效的速率系数， [C]表示任意有效的化学物质，c为任意常数。更进一步，“基本基团”的构建块，BG；“求和群”，SG；和“产物群”PG，用来描述全范围的反应速率表达格式。

添加速率系数可以通过输入速率系数名称或点击添加离散系数按钮来添加速率系数。在一个离散的粒子反应速率中，只能使用离散的粒子速率系数。

定义反应物和生成物

离散颗粒反应中的剩余反应物和生成物是通过添加参与反应来定义的，这些反应将物质的生产或消耗定义为主要物质反应速率的函数。在图10.8所示的例子中，氧O2和二氧化碳CO2的反应速率被指定为碳反应速率的函数。

图10.9参与反应编辑器显示样品参与反应

添加参与反应可以通过单击Add按钮添加新的参与反应，这会弹出参与反应编辑器，如图10.9所示。在这个对话框中，通过点击左边的按钮（在图10.9中显示为），并输入一个将参与反应速率缩放到主物质反应速率的系数，来选择一个参与化学物质。

编辑一个反应现有的参与反应可以从列表中选择该反应并点击Edit按钮进行编辑，也可以双击列表中的反应线进行编辑。这样做将弹出参与反应编辑器，如图10.9所示。

复制一个反应一个现有的参与反应可以通过从列表中选择它并点击Copy按钮来复制。这将创建一条新的参与反应线，其设置与原始反应线相同。

删除反应一个参与反应可以从反应列表中删除，方法是用鼠标选择它，然后点击删除按钮。

设置方程式单位

反应速率单位可能的反应速率单位有mol/s、mol/min、kmol/s、kg/s和g/s。

流体种类单位流体种类项的单位可以是摩尔浓度（mol/m3,mol/cm3,kmol/m3）质量浓度（kg/m3,g/cm3）质量分数，或者分压（Pa,kPa,atm,bar,psi）。

缩核模型

Barracuda有一个缩小的核心模型，以便更准确地模拟某些类型的反应。例如，对部分反应的碳颗粒的分析显示，在未反应的核心周围有一个灰烬区域([YK55]；Lev72[])。Barracuda收缩堆芯模型以每个粒子为基础，并假设粒子中的固相材料在存在流体物质的情况下发生反应。缩心模型只能应用于Barracuda中离散粒子化学反应的固相。流体质量传输限制器反应速率由一级反应速率、流体通过非反应物质向核心的传输以及流体通过边界层的传输（如果启用了模型）控制。每个粒子都有自己的历史，一个“新鲜”的粒子会比一个“旧”的粒子有更高的反应速率。

若要使用缩核模型，请选中图10.8所示的缩心模型复选框，并指定非反应物质的扩散系数。

图10.10缩心模型示意图

对于缩核模型，反应固体核处流体浓度为：

其中:

ρc为反应固体核处流体质量浓度，单位为kg/m3

ρp为颗粒表面的流体质量浓度，单位为kg/m3

ρ∞为散装流体中的流体质量浓度，单位为kg/m3

kR为一级反应速率，单位为m3/s

kB为边界层传质速率，单位为m3/s m3/s（见流体质量传输限制器）

kD为通过非反应物质的扩散速率，单位为m3/s

Dm，s为非反应物质扩散系数，单位为m2/s

rp为颗粒半径，单位为m

rc为反应固体核的半径，计算公式为：

其中:

ms为反应固体核中固体物质的质量，单位为kg

ρs为反应固体核中固体物质的密度，单位为kg/m3

备注

遵循Comment FieldGUI模式。

10.4。体积平均化学与离散化学之间的转换

通常，反应的速率表达式是根据存在的流体体积来测量的，并规定每一体积的流体将消耗、产生或以其他方式在每段时间内转化一定量的物质。这些反应速率表达式通常具有mol/m3/s或kg/m3/s等单位，并且通常与Barracuda中的体积平均化学无缝配合。

然而，对于Barracuda中的离散粒子反应，采用了不同的惯例。由于离散粒子反应应用于单个粒子，因此指定该粒子在每一段时间内消耗、产生或以其他方式转化的物质量（质量或摩尔）是有意义的。在这种情况下，反应速率单位可以是mol/s、kg/s或类似的单位。不幸的是，用户有时需要将以体积为基础的速率系数转换为适合于离散粒子化学使用的离散形式。

为了推导出这种转换的方程，将单元格的体积划分为单元格中每个粒子的单独控制体积。如果Np是体积为Vcell的单元格中的颗粒数，则每个粒子的控制体积为vcp=Vcell/Np.

使用这个控制体积，每个离散粒子周围的质量和面积密度就变成

(10.10)