রাসায়নিক বিক্রিয়ার প্রবাহ মডেল

রাসায়নিক বিক্রিয়া অনেক শিল্প প্রক্রিয়ার একটি অপরিহার্য অংশ। এই প্রক্রিয়াগুলিকে সর্বোত্তম করার জন্য তাদের সঠিক পূর্বাভাস অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। জটিল প্রবাহে রাসায়নিক বিক্রিয়া অনুকরণের জন্য কম্পিউটেশনাল ফ্লুইড ডাইনামিক্স (CFD) এক শক্তিশালী হাতিয়ার। এটি প্রক্রিয়ার ফলাফলের পূর্বাভাস দান এবং তাকে সর্বোত্তম করার একটি উপায় উপস্থিত করে। এই নিবন্ধে, আমরা CFD-তে রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেল নির্মাণ নিয়ে আলোচনা করব। যেমন combust বিক্রিয়ার ধরণ বা বিভিন্ন মডেলিং পদ্ধতি। রাসায়নিক বিক্রিয়া আমাদের চারপাশের ঘটনাবলির সঙ্গে ওতপ্রোত – লোহার মরচে ধরা থেকে শুরু করে ইঞ্জিনে পেট্রোলের দহন। এই বিক্রিয়াগুলি সর্বদা ফ্লুইডের মধ্যেই ঘটে। আমরা যে বাতাসে শ্বাস নিই বা যে জল আমরা পান করি, তাতে ফ্লুইড রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলির আচরণে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে।

বিক্রিয়ার হার এবং উৎপাদনের ক্ষেত্রে সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বিষয়গুলির মধ্যে একটি হল ফ্লুইডের প্রবাহ। উদাহরণস্বরূপ, যদি কোনও গ্যাস পাইপের মধ্য দিয়ে দ্রুত প্রবাহিত হয়, তাহলে সেই পাইপের মধ্যে যে রাসায়নিক বিক্রিয়া ঘটে তা গ্যাস প্রবাহের গতি এবং অভিমুখ দ্বারা প্রভাবিত হবে। একইভাবে, যদি কোনও তরল কোনও পৃষ্ঠের উপর দিয়ে প্রবাহিত হয়, তাহলে সেই পৃষ্ঠে যে রাসায়নিক বিক্রিয়া ঘটে তা তরল প্রবাহের গতি এবং অস্থিরতা দ্বারা প্রভাবিত হবে। এই রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলির সঠিক মডেল তৈরি করার জন্য, তাদের অন্তর্নিহিত ফ্লুইড মেকানিক্স বোঝা অপরিহার্য। যেমন, কীভাবে তারা প্রবাহিত হয়, মিশে যায় বা তাদের চারপাশের সাথে আ ন্ত ক্রিয়া ঘটায়। উদাহরণস্বরূপ, দহনের ক্ষেত্রে, একটি ইঞ্জিনের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত গ্যাসগুলির গতিপ্রকৃতি অনুধাবন করলে সেটা আমাদের আরও দক্ষ এবং পরিবেশবান্ধব ইঞ্জিনের নকশা বানাতে সহায়তা করে। একইভাবে, রাসায়নিক প্রকৌশলের ক্ষেত্রে, পাইপ এবং চুল্লির মধ্য দিয়ে প্রবাহিত তরলের গতিপ্রকৃতি অনুধাবন করলে সেটা রাসায়নিক উৎপাদন প্রক্রিয়াগুলিকে সর্বোত্তম করতে এবং বর্জ্য হ্রাস করতে সাহায্য করতে পারে। রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলি সম্পূর্ণরূপে রাসায়নিক ঘটনা বলে মনে হলেও, বাস্তবে এগুলি ফ্লুইডের আচরণের সাথে নিবিড়ভাবে জড়িত। আমাদের রাসায়নিক বিক্রিয়ার মডেলগুলিতে ফ্লুইড মেকানিক্সের খুঁটিনাটি অন্তর্ভুক্ত করলে বিশ্বকে বুঝতে আরও সুবিধা হবে।

CFD-তে কোন ধরণের রাসায়নিক বিক্রিয়ার মডেলিং করা যেতে পারে?

কম্পিউটেশনাল ফ্লুইড ডাইনামিক্স (CFD) হল একটি শক্তিশালী হাতিয়ার যা বিভিন্ন ধরণের রাসায়নিক বিক্রিয়ার অনুকরণ এবং অধ্যয়ন করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। CFD মহাকাশ, অটোমোবাইল এবং রাসায়নিক প্রকৌশল সহ অনেক ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়ে থাকে। CFD-এর সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ প্রয়োগগুলির মধ্যে একটি হল রাসায়নিক বিক্রিয়ার মডেলিং। CFD বিভিন্ন ধরণের রাসায়নিক বিক্রিয়ার মডেল তৈরি করতে পারে, যার মধ্যে রয়েছে দহন, পাইরোলাইসিস, গ্যাসিফিকেশন এবং আরও অনেক কিছু।

CFD ব্যবহার করে কোনও বিক্রিয়ার মডেল করতে গিয়ে অনেকরকমের গণনামূলক জটিলতার সম্মুখীন হতে হয়। এটি সাধারণ একক-ধাপ বিক্রিয়া থেকে শুরু করে জটিল বহু- ধাপ বিক্রিয়া পর্যন্ত হতে পারে। কয়েক ডজন পণ্য এবং মধ্যবর্তী পণ্যের উৎপাদন এর সঙ্গে জড়িত। উদাহরণস্বরূপ, CFD একটি একক জ্বালানী অণুর দহন মডেল করতে ব্যবহার করা যেতে পারে, যেমন মিথেন। এর মধ্যে একটি একক-ধাপ বিক্রিয়া জড়িত। অন্যদিকে, CFD একটি জটিল জ্বালানী মিশ্রণের দহন মডেল করতেও ব্যবহার করা যেতে পারে, যেমন পেট্রোল। এর সঙ্গে একটি জটিল বহু- ধাপ বিক্রিয়া জড়িত। রাসায়নিক বিক্রিয়ার উপর বিভিন্ন কারণের প্রভাব অধ্যয়নের জন্যও CFD ব্যবহার করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, রাসায়নিক বিক্রিয়ার উপর তাপমাত্রা, চাপ এবং প্রবাহ হারের প্রভাব অধ্যয়নে। এই পদ্ধতি চুল্লি এবং অন্যান্য রাসায়নিক প্রক্রিয়ার নকশা অনুকূল করতে ব্যবহার করা যেতে পারে।রাসায়নিক বিক্রিয়ার মডেলিং ছাড়াও, রাসায়নিক প্রক্রিয়ার অন্যান্য দিকগুলি অধ্যয়নের জন্য CFD ব্যবহার করা হয়। উদাহরণস্বরূপ, তরল মিশ্রণ, তাপ ও ভর পরিবহন এবং দূষণকারী পদার্থের গঠন অধ্যয়নের জন্য CFD ব্যবহার করা যেতে পারে। এটি CFD কে একটি বহুমুখী হাতিয়ার করে তোলে যা রাসায়নিক প্রক্রিয়ার বিভিন্ন দিক অধ্যয়নের কাজে লাগে।

বিভিন্ন রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেলের তুলনামূলক বিচার

CFD-তে রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ অনুকরণ করার জন্য বেশ কয়েকটি মডেলিং পদ্ধতি চালু আছে। সর্বাধিক ব্যবহৃত দুটি মডেল হল ল্যামিনার ফ্লেমলেট এবং এডি ডিসপিসেশন কনসেপ্ট (EDC)। ল্যামিনার ফ্লেমলেট মডেল স্পষ্টভাবে ফ্লেম স্ট্রাকচার অধ্যয়ন করে এবং এর ব্যবহারিক দৃঢ়তা এটিকে বেশ জনপ্রিয় করে তুলেছে। অন্যদিকে, EDC মডেলটি প্রতিক্রিয়া হারের উপর টার্বুলেন্সের প্রভাব মডেল করার জন্য একটি পরিসংখ্যানগত টার্বুলেন্সের স্কেল ব্যবহার করে। কোনটি কোন নির্দিষ্ট অ্যাপ্লিকেশনের জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত তা নির্ধারণ করার জন্য এই মডেলগুলির শক্তি এবং দুর্বলতাগুলির তুলনামূলক বিচার অপরিহার্য।

ল্যামিনার ফ্লেমলেট মডেলটি এই ধারণার উপর ভিত্তি করে তৈরি যে স্থির-অবস্থার ফ্লেম স্ট্রাকচার সমাধানের একটি গোষ্ঠী দ্বারা এর প্রতিনিধিত্ব করা যেতে পারে। এই মডেলটি কম-অস্থিরতা (low turbulence) সম্পন্ন ল্যামিনার ফ্লেমের জন্য উপযুক্ত, যেখানে ফ্লেম স্ট্রাকচারটি সুনির্দিষ্ট। তবে, উচ্চ-অস্থিরতা (high turbulence) নন-ল্যামিনার ফ্লেমের জন্য এটি সঠিক নাও হতে পারে, যেখানে ফ্লেমের কাঠামো আরও জটিল এবং পরিবর্তনশীল। সে ক্ষেত্রে, EDC মডেলটি আরও উপযুক্ত হতে পারে। EDC মডেলটি বিক্রিয়ার হারের উপর টার্বুলেন্সের প্রভাব মডেল করার জন্য একটি পরিসংখ্যানগত পদ্ধতি ব্যবহার করে। এই মডেলটি ধরে নেয় যে টার্বুলেন্স স্কেলগুলি ফ্লেমের পুরুত্বের তুলনায় অনেক ছোট, যার ফলে টার্বুলেন্সকে ফ্লেমের কাঠামো থেকে আলাদাভাবে মডেল করা সম্ভব হয়। EDC মডেলটি উচ্চ-অস্থিরতা সম্পন্ন ল্যামিনার নয় এমন শিখার অনুকরণে কার্যকর বলে প্রমাণিত হয়েছে, যেখানে ফ্লেমের কাঠামো আরও জটিল এবং পরিবর্তনশীল।

রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহের অনুকরণের জন্য সাধারণত ব্যবহৃত আরেকটি মডেল হল ফ্লেমলেট জেনারেটেড ম্যানিফোল্ডস (FGM) মডেল। এই মডেলটি ল্যামিনার ফ্লেমলেট এবং EDC মডেলের শক্তিগুলিকে একত্রিত করে ফ্লেমের কাঠামো উপস্থাপন করার জন্য স্থির-অবস্থা সমাধানের (Steady-State Solution) একটি গোষ্ঠী এবং বিক্রিয়ার হারের উপর টার্বুলেন্সের প্রভাব মডেল করার জন্য একটি পরিসংখ্যানগত পদ্ধতি ব্যবহার করে। FGM মডেলটি নিম্ন-টার্বুলেন্স, ল্যামিনার ফ্লেম এবং উচ্চ-টার্বুলেন্স, নন-টার্বুলেন্স ফ্লেম উভয়ের অনুকরণে কার্যকর বলে প্রমাণিত হয়েছে।

রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহের মডেলগুলিতে অশান্ত দশার (Turbulence) ভূমিকা অনুসন্ধান রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহের ক্ষেত্রে বিক্রিয়ার হারের উপর অশান্ত দশার (Turbulence) প্রভাব একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় । বিক্রিয়াশীল প্রবাহের বিস্তৃত প্রয়োগের জন্য এই মিথস্ক্রিয়াটির সঠিক মডেলিং অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। রাসায়নিক প্রজাতির অশান্ত পরিবহন (Turbulent Transport) বিক্রিয়ার ঘনত্বের স্থানীয় ওঠানামা সৃষ্টি করতে পারে, যার ফলে ফ্লেমের সম্মুখভাগে একটি অসম বিক্রিয়ার হার তৈরি হয়। এই অশান্ত দশা দহন ব্যবস্থার দক্ষতা এবং স্থিতিশীলতার উপর ও দূষণকারী পদার্থের গঠনের উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলতে পারে। রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেলের নির্ভুলতা উন্নত করার একটি পদ্ধতি হল উন্নত টার্বুলেন্স মডেলগুলিকে অন্তর্ভুক্ত করা। এটি টার্বুলেন্স এবং রসায়নের মধ্যে জটিল মিথস্ক্রিয়া অধ্যয়ন করতে পারে। এই মডেলগুলি অশান্ত প্রবাহের (Turbulent Flow) আচরণ অনুকরণ করার জন্য বিভিন্ন কৌশল ব্যবহার করে। যেমন বৃহৎ এডি সিমুলেশন(Large Eddy Simulation/LES) এবং রেনল্ডস-গড় ন্যাভিয়ার-স্টোকস সমীকরণ (RANS)। আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হল বিক্রিয়া প্রবাহের মধ্যে তাপ এবং ভর পরিবহনের উপর অস্থিরতার প্রভাব। অস্থির মিশ্রণ (Turbulent mixture) তাপ এবং ভর পরিবহনকে উন্নত করতে পারে, যার ফলে দহন প্রক্রিয়া আরও দক্ষ হয়। সাম্প্রতিক গবেষণায় নাইট্রোজেন অক্সাইড এবং কাঁচের মতো দূষণকারী পদার্থ তৈরিতে অস্থিরতার অশান্ত দশার ভূমিকা নিয়েও গবেষণা করা হয়েছে। অস্থির মিশ্রণের (Turbulent mixture) ফলে এই দূষণকারী পদার্থ তৈরি হতে পারে, যা বায়ুর গুণমান এবং মানব স্বাস্থ্যের উপর উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলতে পারে। তাদের নির্গমন কমাতে কার্যকর কৌশল তৈরির জন্য তাদের গঠনের পিছনের প্রক্রিয়াগুলি বোঝা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

শিল্পে রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেলের গুরুত্ব অন্বেষণ করা

রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেলগুলি আমাদের শিল্প প্রক্রিয়াগুলির পদ্ধতিতে CFD-তে বিপ্লব এনেছে । এগুলো আমাদের নকশাগুলি অপ্টিমাইজ করতে এবং দক্ষতা উন্নত করতে সক্ষম করেছে। এই মডেলগুলির বিভিন্ন শিল্পে বিস্তৃত প্রয়োগ রয়েছে, যার মধ্যে রয়েছে:

দহন ব্যবস্থা:

এই মডেলগুলি দহন ব্যবস্থায় ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয় যাতে জ্বালানি ইনজেকশন এবং দহন বায়ুপ্রবাহকে সর্বোত্তম করে দূষণকারী নির্গমন কমানো যায়। দহন প্রক্রিয়ার অনুকরণের মাধ্যমে, প্রকৌশলীরা উন্নতির জন্য সম্ভাব্য ক্ষেত্রগুলি চিহ্নিত করতে পারেন এবং সর্বোত্তম কর্মক্ষমতা অর্জনের জন্য সিস্টেমে সমন্বয় আনতে পারেন।

রাসায়নিক প্রক্রিয়াকরণ:

রাসায়নিক প্রক্রিয়াকরণ প্রকৌশলীরা এই মডেলগুলি ব্যবহার করে চুল্লির নকশা অপ্টিমাইজ করতে এবং সম্ভাব্য প্রক্রিয়া উন্নতি সনাক্ত করতে পারেন। চুল্লিতে সংঘটিত রাসায়নিক বিক্রিয়ার অনুকরণ করে, প্রকৌশলীরা প্রক্রিয়াটি সম্পন্ন করার জন্য সর্বোত্তম পরিস্থিতি শনাক্ত করতে পারেন এবং সেই অনুযায়ী নকশায় সমন্বয় আনতে পারেন।

উপকরণ সংশ্লেষণ:

এই মডেলগুলি অটোমোবাইল এবং অন্যান্য শিল্প অ্যাপ্লিকেশনের জন্য অনুঘটক রূপান্তরকারী প্রভৃতি উপকরণ সংশ্লেষণ প্রক্রিয়ার নকশাতেও ব্যবহৃত হয়েছে। সংশ্লেষণ প্রক্রিয়ার সময় সংঘটিত রাসায়নিক বিক্রিয়াগুলির অনুকরণ করে, প্রকৌশলীরা প্রক্রিয়াটি সংঘটিত হওয়ার জন্য সর্বোত্তম পরিস্থিতি সনাক্ত করতে পারেন এবং সেই অনুযায়ী নকশায় সমন্বয় আনতে পারেন।

সামগ্রিকভাবে, রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়াশীল প্রবাহ মডেলগুলি আমাদের শিল্প প্রক্রিয়াগুলির পদ্ধতিতে বিপ্লব এনেছে, যা আমাদের নকশাগুলি অপ্টিমাইজ করতে এবং দক্ষতা উন্নত করতে সক্ষম করেছে। প্রযুক্তির অগ্রগতির সাথে সাথে, আমরা ভবিষ্যতে এই মডেলগুলির জন্য আরও বেশি প্রয়োগ দেখতে পাব বলে আশা করতে পারি।