
了解化学过程并优化设计
化学反应工程模块支持的建模对象
化学反应工程模块包含的工具可用于:
- 在化学动力学研究中建立详细的反应机理模型
- 基本步骤
- 活化能
- 频率因子
- 化学成分
- 压力
- 温度
- 理想系统建模
- 间歇式反应器
- 半间歇式反应器
- 全混流反应器
- 管式反应器
- 平推流反应器
- 计算以下对象的热力学属性和传递属性
- 气体
- 气-液系统(闪蒸计算)
- 液-液系统
- 气-液-液系统
- 对工业过程进行建模仿真
- 传感器中的分析法
- 汽车应用
- 化学气相沉积
- 环境科学
- 食品加工
- 散装化学品工业中的无机合成
- 医学技术
- 石化行业
- 制药过程
多物理场耦合
- 对浓混合物和稀溶液中的传递现象和以下物理现象进行耦合模拟
- 传热
- 层流和湍流
- 多相流
- 多孔介质流动
建模策略和工作流程概述
在科学和工程研究中,对反应系统的现实描述通常需要结合传递现象和化学反应来进行,从而理解和优化过程或设计。“化学反应工程模块”专用于化学和化学工程研究中的典型工作流程,可以按照以下步骤逐步进行:
- 研究理想的完全混合系统,识别反应机理并计算动力学参数,例如频率因子和活化能。
- 计算热力学属性和传递属性。
- 将研究扩展为空间相关的系统,其中温度和成分可能存在空间变化。这意味着必须结合化学反应来考虑化学物质的传递、传热和流体流动。
- 通过与“CFD 模块”耦合使用,可以对多孔介质或湍流中的有效传递属性进行建模和计算。
上述工作流程可应用于涉及化学反应的许多不同领域,并适用于从纳米技术和微反应器到环境研究和地球化学的全尺度范围。
工程师、科研人员和设计人员可以使用本模块来快速有效地定义模型,求解模型方程,执行参数分析并计算仿真研究的结果。此外,软件会记录从模型定义到呈现结果的整个过程,以确保透明性和可重复性。
研究完全混合系统中的化学反应机理
模拟化学反应工程过程的第一步是研究完全混合系统中的反应机理。反应工程 接口是在研究传递现象之前,用来研究这些系统的主要工具。
任何系统建模的第一步都是建立物料平衡。在 COMSOL Multiphysics® 中,您可以输入化学方程来自动获取系统中化学物质的物料平衡方程和系统的能量平衡方程。当您输入反应机理时,系统会自动从基本步骤的质量作用定律导出作为物质浓度函数的动力学表达式。此外,对于作为物质浓度和温度的函数的反应速率,您也可以输入自己的解析式。
物料平衡和反应动力学表达式可以给出由软件自动生成的常微分方程。对于完全混合的间歇式反应器,方程的解可以给出反应混合物的组成随时间的变化情况。
“化学反应工程模块”还包含一个热力学属性数据库,可以用来计算气体混合物、液体混合物、平衡态气-液系统(闪蒸计算)、液-液系统以及平衡态气-液-液系统的属性,其中提供多种热力学模型用于计算密度、热容、生成焓、反应焓、黏度、导热系数、二元扩散系数、活性和逸度。
本模块提供以下热力学模型:
气体混合物
- 理想气体
- Peng-Robinson
- Peng-Robinson(Twu)
- Soave-Redlich-Kwong
- Soave-Redlich-Kwong(Graboski-Daubert)
液体混合物
- Chao-Seader(Grayson-Streed)
- Wilson
- NRTL
- UNIFAQ VLE
- UNIQUAC
- 正规溶液
- 扩展的正规溶液
- 理想溶液
您可以使用热力学属性数据库来选择特定反应系统中存在的化学物质、所需的属性以及热力学模型,从而为该系统创建属性包,后者可以定义在反应系统模型中使用的函数和方程。请注意,属性包定义的函数可用于完全混合的系统和空间相关的系统。反应工程 和化工 接口支持分别将函数和方程自动链接到完全混合系统和空间相关系统的模型。
当您在反应工程 或化工 接口中定义反应机理以及一组反应物和产物时,可以将这些反应物和产物与热力学属性数据库定义的属性包中的化学物质进行匹配,从而自动将属性包生成的函数和方程与反应系统模型联系起来。
对于完全混合的系统,通过结合使用反应工程 接口和属性包,可以定义和求解用于描述物料平衡和能量平衡的全耦合方程。得到的结果是在一组给定的初始条件和工作条件下,反应系统的温度和组成随时间的变化情况。
除此之外,热力学属性数据库还可以用来计算不发生化学反应的系统中流体的热容、密度、导热系数和黏度。混合物的属性高度依赖于温度和组成。请注意,这里描述的所有功能构成了气液属性模块,它是“化学反应工程模块”的子模块。
空间相关模型
多组分传递
本模块中用于描述物料、能量和动量平衡(与反应动力学耦合)的公式的结构和命名方法取自 Bird、Stewart 和 Lightfoot 所著的教科书《Transport Phenomena》;这样的用户界面是工业领域和学术机构的化学工程师耳熟能详的形式。
在对反应系统中的传递现象进行建模时,需要描述多组分传递模型中的化学物质。“化学反应工程模块”的浓物质传递 接口中包含复杂的多组分传递模型,用户可以在 Maxwell-Stefan 公式与多组分传递的混合物平均模型之间进行选择。对于稀溶液,还可以选择稀物质传递 接口,用于处理溶液中的相互作用以溶质-溶剂相互作用为主导的情况。
动电效应
在电解质和离子建模过程中,浓物质传递 和稀物质传递 接口都可以包含电场作为传递的驱动力。Nernst-Planck 和电泳输送 接口专用于电解质建模,可以包含泊松方程的公式或电解质中电荷平衡的电中性条件。此功能的应用包括电动阀、电渗流和电泳。
化学物质输运方程还可用于多孔介质,例如,用来包含克努森扩散。此外,软件还内置了含尘气体扩散模型。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到质量平衡模型的公式和传递属性。
流体流动
“化学反应工程模块”中的流体流动接口可以处理层流和多孔介质流动。不仅如此,在与“CFD 模块”结合使用时,还提供现成的耦合分析功能,可用于模拟湍流中的化学物质传递。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到流体流动模型的公式以及黏度和密度。
传热
“化学反应工程模块”中包含的传热接口可以分析传导传热、对流传热和辐射传热。辐射项由“表面对环境辐射”给出,而“表面对表面辐射”和“参与介质中的辐射”则需要“传热模块”。“化学反应工程模块”的传热功能包括流体传热、固体传热和多孔介质传热。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到传热模型的公式以及热力学属性和传递属性。
表面反应和多相催化
多相催化和表面沉积过程(例如化学气相沉积)通常会发生表面反应。举例来说,生产氨的哈伯-博施工艺,以及用于检测极少量示踪剂的微传感器(这些示踪剂可以吸附在表面上,并通过电属性的变化等进行检测)等化学品分装工业及制品中,都存在这种现象。
在传递-反应模型中,可以用两种不同的方式来处理表面反应:
- 将其作为与本体中传递和反应方程的边界条件耦合的边界方程,这对于不超过微观尺度的模型来说相当典型。
- 将其作为多孔介质中的反应,处理方式与均相反应类似,但包含比表面积(多孔材料单位体积的面积)和有效传递属性。这常见于微观尺度和宏观尺度的模型,即多尺度模型。
反应工程 和化工 接口还可以处理与空间无关的模型中的表面物质和表面反应,以进行机理研究,并自动将动力学导出至边界表达式(如上面的第一个选项),或将其作为多孔介质中的均质反应(如上面的第二个选项)。
构建仿真 App 以简化仿真过程
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- 根据特定的例程在大量参数化仿真的基础上创建并更新报告,从而获得最佳的可重复性和质量
- 为特定的模型提供用户友好的界面,借助仿真 App 帮助建模和仿真方面的非专业人员加速理解,从强大的优化功能中受益
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