化学反应工程模块
化学反应工程模块
使用化学反应工程模块模拟质量和能量平衡
平板反应器，反应物质在反应器中的两个位置流入。
完美适用于化学与加工行业中的所有设备操作过程
化学反应工程模块简化了化学反应器、过滤设备、混合器及其他化工过程的优化步骤。模块中包含的专业工具可以帮您模拟各类环境中的物质传递、传热，以及任意化学动力学，适用环境包括气态、液态、多孔介质、表面上、固相内，或所有这些的综合。这使化学反应工程模块非常适合于模拟化工和化工行业的所有方面，甚至能够用于以周围环境作为“加工设备”或“化学反应器”的环境工程。
对流扩散与任意的化学反应动力学
化学反应工程模块包含直观的用户界面，可用于定义稀溶液、浓溶液或混合物中任意数量化学物质的传递过程，包括对流、扩散和离子迁移等。这些过程可以方便地与可逆、不可逆和平衡反应的定义相耦合，其中的反应动力学可以通过 Arrhenius 方程或任意速率定律描述，并能够考虑浓度和温度对动力学的影响。定义化学反应的界面非常直观，化学公式和方程的输入方式与书面书写方式基本相同。COMSOL 使用质量作用定律来设置适合的反应表达式，您可以按照需要进行修改或重写。无论均相还是多相反应器条件，体反应还是表面反应，都将使用反应公式中的化学计量系数来自动定义质量平衡和能量平衡。
更多图片：
圆形喷射燃烧器：圆形喷射燃烧器中的湍流燃烧仿真。仿真结果显示了反应喷射中的温度和 CO2 质量分数。
生物传感器流动池：该图为流动池仿真，其中的微柱涂有活性材料，可以支持吸附分析物。仿真结果显示了速度流线和吸收物质的浓度分布。
管式反应器仿真器：这是一个可模拟管式气体反应器的 App，在将反应物从入口运送到出口的气体流中发生化学反应。质量和能量传递通过对流-扩散和对流-传导过程发生。
通过银络合法净化水：许多工业生产过程的工艺流程都会残留溶解的有毒金属离子。此模型模拟的是净化反应器，其中，银离子复合为双胺银以便去除。
管式反应器仿真器：这是一个可模拟管式气体反应器的 App，在将反应物从入口运送至出口的气体流中发生化学反应。质量和能量传递通过对流-扩散和对流-传导过程发生。
填充床反应器：此模型可计算绕催化颗粒流动的反应器气体的浓度分布，还可使用额外维度对每个多孔催化颗粒内的浓度分布进行建模。图中所示是反应器底部的速度流线， 其中的彩色图表示浓度。
完整的传递现象
化学反应工程模块包含计算热力学属性（包括外部源）的工具，以增强传热、焓平衡与您的物质传递、化学反应之间的耦合。此外，模块还提供了定义动量传递的用户接口，使您能够完整描述化学过程中的传递现象。这包括由 Navier-Stokes 方程、Darcy 定律和 Brinkman 方程描述的层流和多孔介质流动。通过将 CFD 模块或传热模块与您的模拟耦合，您还可以加入湍流、多相流、非等温流，以及辐射传热等。
化学反应过程优化的必需部分
在化学、化工、电力、制药、聚合物和食品等行业，物质传递和化学反应是工业过程中密不可分的一部分，化学反应工程模块尤其适合研究和分析这类问题。模块提供了化学反应工程研究从实验室的试管研究，到工厂的化学反应器检修等方方面面的各类专业工具；当与优化模块结合使用时，您还可以基于软件内置功能，在可控环境下从本质上分析化学反应，估计化学反应参数，并与实验数据比对，以更加精确的描述化学反应过程。除此之外，化学反应工程模块还提供了多种预定义的反应器类型，用于更深入的研究：
- 间歇和半间歇反应器
- 连续搅拌釜反应器 (CSTR)
- 活塞流反应器
这些接口均提供了对恒定或可变质量或者体积的恰当定义，以及等温、非等温和绝热等条件。这些简单的模型非常适合将经优化的动力学加入化工环境，使您能更好地理解您的系统，并能够模拟各种不同的工作条件。您可以根据从中获得的所有知识来继续优化仪器设备的设计，并通过完整的二维轴对称或三维模型来仔细调整工作条件。‘生成空间依赖性模型’特征可用于将系统的质量平衡、能量平衡与流体流动、化学反应速率完全耦合。
化学反应工程模块
产品特征
- 基于化学公式生成动力学表达式的自动理想反应器模型* 稀混合物与浓混合物中的质量传递
- 通过扩散、对流和离子迁移进行的质量传递
- 多组分质量传递
- Fickian、Nernst-Planck、Maxwell-Stefan 和混合物平均传递
- 考虑 Soret 效应的多组分扩散
- 薄层中的扩散
- 多孔介质中的物质传递与传热* 质量传递参数的孔隙率修正模型* 层流与多孔介质流* Hagen-Poiseuille 方程* 纳维-斯托克斯、达西定律和 Brinkman 方程
- 反应流* 表面扩散和反应
- 表面上的物质吸附、吸收和沉积
- Nernst-Planck-Poisson 方程
- 电泳输送
- 多尺度传递与反应特征* 在等温与非等温环境中，任意化学反应动力学定义中都不限制化学物质的数量* Arrhenius 模型* 表面上的物质吸附等温线、吸收和沉积
- 自由与多孔介质反应流
- 用于计算流体中的物理属性的热力学属性数据库
- 动力学数据、热力学与传递属性的 CHEMKIN® 文件导入功能
- 支持 CAPE-OPEN 格式的热力学数据库
应用领域
- 间歇式、柱塞流/管式，以及釜式反应器* 反应器设计、尺寸调整和优化* 多组分和膜传递
- 填充床反应器
- 表面吸附、吸收和沉积
- 生物化学和食品科学* 药物合成
- 塑料和聚合物制造* 电化学工程
- 色谱分析法
- 渗析、电泳和电渗* 过滤和沉淀* 尾气后处理和排放控制* 发酵和结晶装置
- 旋流器、分离器、洗涤器和浸出装置
- 预热器和内燃机
- 整装反应器和催化转化器
- 选择性催化还原氧化氮 (SCR) 催化剂
- 氢气重整器
- 半导体加工和 CVD* 微流体和芯片实验室
Material Databases
| 文件格式 | 扩展名 | 读 | 写 |
|---|---|---|---|
| CHEMKIN®1 | .dat, .txt, .inp3 | 是 | 否 |
| CAPE-OPEN (direct connection)1 | n/a | N/A | N/A |
| LXCAT file2 | .lxcat,.txt | 是 | 否 |
1 Any file format is allowed, these are the most common extensions
2Requires the Plasma Module
3Any extension is allowed; These are the most common extensions
血糖试纸电化学过程建模
Stephen Mackintosh Lifescan Scotland UK
Lifescan Scotland 是一家医疗仪器公司，主要为全球市场设计和制造血糖监测工具包。这其中包括通过专门的监测系统和试纸包自我监测血糖水平，其试纸包含一个塑料衬底、两个碳基电极、一个薄的干试剂层和一个放置血液的毛细管区域。 Lifescan ...
模拟药物洗脱支架中的释放机理
T. Schauer, I. Guler Boston Scientific Corporation, MN, USA
穿过冠状动脉置入支架是用于治疗由动脉狭窄而限制血液向心脏流动的常用解决方法。按照这种方法操作时，由于组织会在支架上过度生长可能会出现再狭窄现象。Boston Scientific 的研究人员正在使用多物理场仿真来更好地了解药物洗脱支架如何防止组织再生，从而进一步改进他们的设计。 研究人员在 COMSOL Multiphysics 软件中建立了一个用于药物控释并进入周围组织的支架涂层模型。在他们的模型中，可以使用刚性弹簧法，确保孔隙和壳层之间界面处的药物扩散通量的连续性。优化模块用于改良不能通过实验确定的模型参数，比如聚合物壳层的厚度和在支架涂层中孔隙的延迟系数。仿真和实验数据都证实了通过孔隙的快速释放机理和通过壳层中聚合物包封剂的慢速扩散。
砷化镓化学气相沉积
化学气相沉积 (CVD) 支持薄膜通过吸附在表面并发生反应的分子和分子碎片在基底上生成。本例演示这种 CVD 反应器的建模，其中三乙基镓首先分解，反应产物与砷化氢 (AsH3) 一起吸附在基底并发生反应，生成砷化镓层。 CVD 系统通过动量平衡 ...
热分解
本教学案例将热方程和质量输运方程与层流相耦合，来模拟平行板反应器中的放热反应，其中举例说明了如何使用 COMSOL Multiphysics 中的预定义物理场接口系统地建立和求解越来越复杂的模型。
氧化氮还原反应动力学分析
这一系列模型演示了如何对选择性氧化氮还原反应建模，当废气流经机动车辆排气系统中的整体式反应器管道时会发生这一还原反应。仿真目的是确定反应中用作还原剂的反应物 NH3 的最佳剂量。 模型执行了三种不同的分析： 动力学分析：案例分析了整体式反应器单管道中的选择性还原反应，其中使用平推流反应器类型通过“反应工程”接口分析反应动力学。 详细的过程建模：利用之前模型中确定的 NH3 的最佳剂量作为初始条件，在三维空间建模，因而可以给出更为精确的空间分布结果。 热应力分析：研究由化学反应释放的热量引起的整体单元中的热梯度，其中使用了“结构力学模块”以及之前求解的三维模型。
填充床反应器多尺度三维模型
化学工业中用于非均相催化过程的最常见的反应器之一是填充床反应器，这种类型的反应器用于合成以及废水处理和催化燃烧。 此模型用于计算在颗粒周围流动的反应器气体的浓度分布，还使用额外维度 来模拟每个多孔催化颗粒内的浓度分布。在 COMSOL 5.0 中引入的反应颗粒床 特征中内置了额外维度。 反应器由填充有催化剂颗粒的圆柱壳组成。这些颗粒可以包含在管道或通道等支撑结构内，也可以填充在反应器的一个隔室中。 此模型提供一种方法，研究填充床反应器及其他非均相反应器中宏观和微观质量平衡的耦合。模型计算了三维填充床反应器以及每个催化剂颗粒中反应物质的浓度分布。
蒸汽重整器
在燃料电池发电机中，电池堆所需的氢通常产生自蒸汽重整器单元。 本案例演示了蒸汽重整器的建模，重整化学反应发生在多孔催化床中，其中通过加热管供给能量来驱动吸热反应系统，反应器封闭在绝缘夹套中。 模型中使用了“化学反应工程模块”中的预置的建模接口，轻松地建立用于描述此系统的质量、能量和动量方程的紧密耦合系统。
电动阀中的传递
该 App 提供三维微通道系统中的压力驱动流和电泳的示例。研究人员经常使用与此模型中的装置类似的装置作为生物芯片中的电动进样器，从而获得解离酸和盐的明确定义的样品体积，并输送这些体积。 通过样品和缓冲溶液的压力驱动流动实现聚集，从而将样品限定在聚集通道中。达到稳态后，关闭压力驱动流，并沿流道施加电场。 电场驱使与聚集通道成直角的聚集区中的解离样品离子通过注入通道。此问题在时域求解。 此模型需要“化学反应工程模块”和“CFD 模块”或“微流体模块”。
含注入管的多孔反应器
使用多孔介质反应流 多物理场接口，大大简化了填充床反应器、整体式反应器以及其他多相催化反应器的建模。该接口定义了多孔介质流化学物质的扩散、对流、迁移和反应，无需设置单独的接口并将其耦合，接口自动将模拟多相催化以及多孔介质流和稀/浓化学物质传递所需的所有耦合及物理场接口相结合。 由于该多物理场接口还包含用于层流和湍流的类似接口，因此您可以切换或定义与其他类型流动模型的新耦合，而不必为相关的物理现象重新定义或设置新接口。在“设置”窗口中，您可以选择要模拟的流动类型以及化学物质传递，而不会丢失任何已定义的材料属性或反应动力学。这意味着，您可以在一个反应器中比较自由介质和多孔介质中的不同反应器结构或模型流动，即使这两种流态连续出现亦是如此。
圆形喷射燃烧器中的合成气燃烧
此模型模拟简单圆形喷射燃烧器中未经预混的合成气的湍流燃烧。 合成气是气体混合物，主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成，其名称与其在制造合成天然气方面的用途有关。在模型中，合成气从管道进入包含缓慢空气共流的开放区域，离开管道时，未经预混的合成气与周围空气混合并燃烧，产生的湍流火焰附着在燃烧器头部。 此模型通过结合使用“反应流”接口和“流体传热”接口来求解。使用 k-ε 湍流模型对喷射的湍流进行建模，使用涡流耗散模型对湍流反应进行建模。将反应射流产生的速度、温度和物质质量分数与实验值进行了比较。
管式反应器中的分解反应
管式反应器常用于石油工业等行业中的大规模连续生产，这种反应器的一个关键设计参数是转化率，或者说反应生成所需产物的反应物的量。为了实现高转化率，工艺工程师从以下方面优化了反应器的设计：反应器长度、宽度和加热系统。在设计阶段和调整现有反应器时，精确的反应器模型都是非常有用的工具。 本例探讨气相分离过程，其中物质 A 发生反应生成物质 B。模型阐明了如何使用“化学反应工程模块”中多个具有吸引力的特征： 使用“浓物质传递”分析多组分扩散。 如何将可变密度耦合到“层流”接口。 与温度和成分相关的反应动力学的实现。 使用结构化的映射网格将细长的几何（通常是管式反应器几何）离散化 如何包含热平衡以及如何将这些热平衡与质量平衡和速度场相耦合
生物传感器设计
光催化剂和生物传感器等常发生包含吸附-反应-解吸步骤的表面反应，生物传感器中的流动池包含微柱阵列，用于吸附水溶液中的抗原等物质，可以在传感器中检测到与表面覆盖度成比例的信号，例如，通过化学发光的方法检测。 此演示 App 包含带活性表面的流动池，支持用户更改传感器的设计参数，如柱直径、栅格间距和入口速度，并查看这些参数对检测结果的影响。
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