التدفق المضطرب - حل المسائل,

الكربنة هي عملية إذابة غاز ثاني أكسيد الكربون في سائل، وتستخدم عادة في إنتاج المشروبات الغازية. يتطلب تحقيق الكربنة الفعّالة التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط وظروف التدفق. من خلال ضبط هذه العوامل، يمكن تعظيم كفاءة الكربنة، مما ينتج عنه تركيز أعلى لثاني أكسيد الكربون في السائل.

تعد درجة الحرارة عاملاً رئيسيًا في ذوبانية ثاني أكسيد الكربون. في هذه الحالة، يتم تبريد غاز ثاني أكسيد الكربون والسائل إلى 20 درجة مئوية. تعمل درجات الحرارة المنخفضة على زيادة ذوبانية ثاني أكسيد الكربون، مما يتيح إذابة حجم أكبر من الغاز داخل السائل. عند درجة الحرارة هذه ، يتم ضغط غاز ثاني أكسيد الكربون إلى حوالي 550 كيلو باسكال. يزيد الضغط المرتفع من الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون على السائل، مما يؤدي إلى المزيد من الذوبان.

يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون من خلال أنبوب موصول بين خزانين، حيث تكون خصائص التدفق مهمة للحفاظ على استقرار عملية الكربنة. يعبر رقم رينولدز المرتفع، والذي يتم تعريفه بأنه أكبر من 4000، عن التدفق المضطرب وليس منتظم. يعمل التدفق المضطرب على تحفيز تصادم الغاز بالسائل من خلال تعزيز التداخل، مما يؤدي الى إذابة ثاني أكسيد الكربون في السائل. يتم حساب رقم رينولدز (Re) باستخدام المعادلة:

حيث:

1. ρ هي كثافة ثاني أكسيد الكربون،
2. v هي سرعة التدفق،
3. D هو قطر الأنبوب،
4. μ هي اللزوجة الديناميكية لثاني أكسيد الكربون.

يتم التحكم في معدل تدفق ثاني أكسيد الكربون في هذا النظام من خلال مساحة المقطع العرضي للأنبوب وسرعة الغاز. للحفاظ على الظروف المضطربة، يتم تعديل سرعة التدفق v بناءً على رقم رينولدز المطلوب، مما يسمح بحساب قطر الأنبوب المطلوب.

يمكن إعادة ترتيب معادلة رقم رينولدز لتحديد قطر الأنبوب المطلوب لتحقيق التدفق المضطرب اللازم. يتم الحصول على اللزوجة الديناميكية μ لـثاني اكسيد الكربون عند 20 درجة مئوية باستخدام جداول الخصائص الفيزيائية. يمكن حساب قطر الأنبوب المناسب عن طريق تعويض هذه القيم مع رقم رينولدز المستهدف وسرعة التدفق في المعادلة. يضمن هذا التكوين نقل ثاني اكسيد الكربون بكفاءة عبر النظام، مما يحسن ظروف كربنة السائل.