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化学反应工程 博客文章

借助仿真设计高效的透皮给药贴片

2016年 11月 29日

透皮给药(transdermal drug delivery,简称 TDD)贴片的作用是在一段时间内将药物持续渗透到患者体内。然而,人体的皮肤是阻止外来物质(也包括药物在内)入侵的天然屏障。为了制造出可有效穿透皮肤的 TDD 贴片,研究人员利用仿真对药物的释放过程和皮肤的吸收过程进行了研究。Veryst 工程公司(Veryst Engineering)在 COMSOL Multiphysics® 软件中创建了 TDD 贴片模型,并将仿真结果与实验数据进行了比较。

使用多物理场建模分析真空干燥机的速度

2016年 10月 19日

在某些食品和制药行业中,经常使用不同类型的干燥机来干燥热敏性产品。真空干燥机提供了一个解决方案,从这些敏感物质中去除水和有机溶剂。为了获得最佳的真空干燥机设计性能,工程师需要权衡快速干燥时间和高质量产品的双重需求。为此,您可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究真空干燥过程。 真空干燥机的优势和功能 从古至今,人们就一直将干燥作为保存食物的一种方法。随着时间的推移,干燥过程从露天干燥或日光干燥逐步扩展到其他干燥技术,例如太阳能干燥,冷冻干燥和真空干燥。从制药到塑料行业等,干燥也是许多应用领域的关键过程。 今天,我们将重点专注于真空干燥的化学过程,这在干燥热敏材料(例如食品和药品)时特别有用。真空干燥机在制药行业通常被称为真空烤箱,同时它还具有其他优点。因为真空干燥机需要在较低的温度下才能运行,所以其消耗的能量更少,从而降低了成本。同时,真空干燥器还能回收溶剂,避免氧化。 旋转真空干燥机。MatyldaSęk 提供自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 真空干燥机可去除湿粉中的水和有机溶剂。干燥机的工作原理是在真空中降低液体周围的压力,从而降低液体的沸点,并提高蒸发速率。结果,液体会以更快的速度干燥(此过程的另一个主要优点)。 为了使真空干燥有效,我们需要在不伤害产品的前提下减少干燥次数,这意味着我们需要严格控制操作条件。为了平衡这些目标并了解操作条件如何影响产品,可以使用 COMSOL Multiphysics 的多物理场建模功能。 利用多物理场模型分析真空干燥机的干燥速度 今天,我们将分析 Nutsche 过滤干燥机的真空干燥过程。该干燥机的工作原理是从容器的底部和侧壁加热湿的饼,并降低饼顶部的气相压力。该示例基于 Murru 等人发表的论文。(模型文档中的参考文献1)。 首先,让我们近距离查看该模型。该真空干燥机由一个包含湿饼的圆柱滚筒组成,该圆柱滚筒包含三相:固体粉末颗粒、液体溶剂和气体。饼的材料属性需要包括所有三个阶段的属性,这取决于饼中每个阶段的比例变化。每个阶段的部分是由体积分数决定的,这是我们建模的变量之一。 在二维轴对称组件中,将饼建模为半径 40 cm,高 10 cm 的矩形几何形状。在顶部,我们的模型暴露在一个低压顶部空间中。同时,在过滤干燥器的侧面和底部边界处使用热通量边界条件考虑 60°C 的加热流体。 轴对称 Nutsche 过滤干燥机中的真空干燥过程。 接下来,我们的教程结合了蒸发和传热建模,以研究滤饼的液相分布和温度。利用 系数型 PDE 接口计算滤饼的溶剂体积分数,并使用 “ 固体传热” 接口模拟传热。为了解决多孔介质中的水分传输问题,我们在传热模块中使用了预定义的多物理场接口。我们还同时使用热沉和质量沉两项考虑溶剂蒸发,并将溶剂输运作为扩散过程进行近似估算。 我们对模型做出以下假设: 当液相值达到零时,蒸发停止,表明液体已完全蒸发。 当局部蒸气压小于顶空水蒸气压时,蒸发停止,表明蒸发没有驱动力。 当液相的体积分数降至临界值以下时,溶剂中的扩散停止。 在这些情况下,我们可以使用阶跃函数将蒸发速率和扩散系数平滑地降低到零。 我们的烘干机运行速度有多快? 我们可以看到我们的仿真结果和预期结果基本一致。让我们从30个小时后的滤饼开始分析。如下图所示,滤饼的温度在侧边界和底边界都接近加热流体的温度(60°C)。液相的体积分数在这些受热边界附近最低,而在滤饼的中心最高。此外,表观的水分扩散率在滤饼中心是最高的,在液相蒸发的地方几乎为零。考虑到我们模型的假设,这些结果都是在预期中的。 30小时后,滤饼的温度(左),液相的体积分数(中)和表观水分扩散率(右)。 换种方式,让我们扩展时间范围,看看 10、20 和 30 小时后的蒸发速率。这项研究也得到了预期的结果,它显示出蒸发从加热壁开始,并且当这些边界处的溶剂量减少时,蒸发就减少。在此过程中,蒸发前沿移向滤饼的中心。 10(左),20(中)和30(右)小时后的蒸发速率。 通过仿真得到的定量结果与先前的研究结果非常吻合,这验证了它们的有效性。因此,我们可以使用此模型来准确预测产品随时间的干燥程度。利用此信息,我们可以最大程度地减少产品暴露在高温下的时间。此外,如果要减少热敏产品的干燥时间,我们可以更改干燥机的尺寸。通过多物理场仿真,我们可以设计出效率更高的真空干燥机,以用于各种行业。 联系 COMSOL 进行软件评估 探索更多食品和制药行业的建模应用 自己尝试:下载此博客文章中介绍的真空干燥教程 查看以下相关博客文章: 通过仿真优化生物制药工艺 借助仿真 App 探索生物传感器设计中的生物学 利用仿真 App 优化食品加工工艺中的感应加热技术 优化椰枣热加工过程中的水化操作

模拟甲烷均质充量压燃(HCCI)以优化发动机点火控制

2016年 10月 4日

环境问题日益严重,迫使人们必须提高燃料效率和减少排放,这一需求激发了人们对传统点燃式及压燃式发动机的替代产品的研究兴趣。虽然采用均质充量压缩燃烧(homogeneous charge compression ignition,简称 HCCI)技术的发动机是一个可行的解决方案,然而尚存在例如点火时间难以控制等诸多难题,使得这项技术仍然面临着巨大的挑战。借助 COMSOL Multiphysics® 一类的仿真工具,您便可以分析 HCCI 发动机的燃烧过程,获取相关的有利信息,并最终发现改进点火控制技术的突破口。

更具灵活性的全新反应流多物理场接口

2016年 9月 9日

在最近几个版本的 COMSOL Multiphysics® 中,我们陆续添加了多个新的多物理场接口,将基本的物理场接口分解成单独的接口,并在模型树的“多物理场”节点中预定义了多物理场之间的耦合。这一更新完美地结合了基本物理场接口的灵活性与预定义多物理场耦合友好的用户体验。最新的 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本也不例外,为我们呈现了全新的反应流 多物理场接口。

研究生物反应器式填埋场以解决日益严峻的垃圾处理问题

2016年 8月 26日

在世界各地,堆积到填埋场的垃圾数量正在以惊人的速度增长。传统的垃圾填埋场不仅占用了大片土地,还会带来很多环境问题,因此研究人员希望寻求一种更加安全且节省空间的解决方案。一个可行的方案是将传统的厌氧 填埋场转换为好氧 生物反应器式填埋场。然而这一转换过程或许还需耗费数年时间进行更为深入的实验研究。为了更快地获取结果,加拿大西安大略大学(University of Western Ontario)的研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对转换过程进行了高效的分析。

通过模拟啤酒酿造中的发酵提升啤酒的品质

2016年 4月 25日

每一杯啤酒的独特口感,都是通过一系列的酿造步骤获得的。发酵是其中重要的一步,其本质是将糖转化为酒精的过程。借助 COMSOL Multiphysics,我们可以对发酵过程展开研究,并通过模拟不同的工艺条件来优化酿造效率,进而生产出口感更佳的啤酒。

蛋白质吸附:间歇式反应器和空间依赖性建模

2016年 1月 19日

研究系统的化学动力学时,通常会使用完全混合间歇式反应器假设,并使设计的实验一直保持理想的混合条件。这种假设包括完全混合(理想釜式反应器)和非完全混合(理想塞流反应器)。然而在实际应用中,反应器很难达到理想状态,因此空间依赖性建模对于理解和优化化学反应器至关重要。下面我们将详细探讨反应器模型的开发,先从一个简单的完全混合示例开始。

借助仿真应对腐蚀问题

2015年 12月 28日

腐蚀是运输行业面临的最严峻的挑战之一。为了尽量减少腐蚀带来的危害,德国的一家研究机构与著名的汽车制造商——梅赛德斯-奔驰公司联手对汽车铆钉和钣金中发生的腐蚀现象展开了研究。借助 COMSOL Multiphysics 仿真软件,研究人员能够快速研究腐蚀对汽车部件造成的影响。


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