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。
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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
电动阀中的传递
本例描述一个微流道系统中的压力驱动流和电泳。样品和缓冲溶液在压力驱动下发生聚集,使样品在聚集流道中的分布受限制。当达到稳定状态后,关闭压力驱动流,施加一个电场,使分离出的样品离子流入注射流道。
带注射针的多孔反应器
在为填充床、整体反应器及其他多相催化反应器建模时,使用多孔介质反应流 多物理场接口可以大幅简化这个过程。此接口定义了多孔介质流动的化学物质扩散、对流、迁移及反应,而无需单独设置接口并进行耦合,并自动地将多相催化建模以及多孔介质流动和稀/浓化学物质传递所需的所有耦合及物理场接口相结合。\n\n由于此多物理场接口也包含了层流和湍流的类似模拟,因此可以切换或定义与其他类型流动模型的新耦合,而无需为涉及的物理现象重新定义和设置新接口。通过“设置”窗口,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。
生物传感器设计
包含吸附-反应-解吸这几个步骤的表面反应常发生在光催化和生物传感器这样的应用中。\n\n这个 App 模拟了生物传感器内的流体单元池,其中包含一个微柱阵列,用于吸附水溶液中的抗原。在这个生物传感器中通过化学发光可以检测到一个与面覆盖率成比例的信号。\n\n这个 App 可供用户更改传感器的设计参数。可以修改输入参数,例如柱直径、栅格间距和入口流速等,并观察它们如何影响检测的结果。
多尺度三维填充床反应器
本例展示如何将“稀物质传递”接口用于高效求解组合了宏观和微观(多尺度)的问题;一个含双峰多孔分布的异构系统。本例使用“反应颗粒床”特征,利用额外维度表示反应器中多孔催化颗粒的内部。计算了颗粒周围流体中以及颗粒内的反应物质浓度分布。
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。
圆喷射燃烧器中的合成气燃烧
本例模拟了在一个圆形喷射燃烧器中未经过预混的合成气的湍流燃烧。\n\n合成气是一种气体混合物,主要包含氢气、一氧化碳和二氧化碳等。其名称来源于它用于合成天然气。在本模型中,合成气从一根管道注入开口区,同时空气在缓慢流动。在管道中,未经过预混的合成气与周围的空气混合并反应,在出口形成湍流火焰。该模型组合了“反应流”接口和“流体传热”接口进行求解。其中的湍流使用 k-ω 湍流模型来建模,湍流反应使用涡流耗散模型建模。得到的速度、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
砷化镓化学气相沉积
本例描述一个化学气相沉积 (CVD) 反应器的建模。CVD 是电子工业中的一种重要技术,其原理是分子或分子碎片在基底表面被吸收并发生化学反应,由此产生薄膜。其中结合了详细化学反应动力学和 CVD 反应器的传递模型,使沉积过程的模拟更真实。执行仿真后,无须进行费时费力的测试运行,而这在常规的反应器设计中是不必可少的步骤。\n\n“化学”接口中考虑了反应动力学并计算了传递参数和热参数,从而可以与其他接口无缝耦合。本模型中,还利用了“可逆反应组”特征,进行表面反应的 CHEMKIN 导入,以及 CVD 过程中涉及的本体反应和表面反应这个复杂系统的组织。
热分解
本教程演示了如何建立和求解涉及质量传递、能量传递和动量传递的耦合方程的多物理场问题。\n\n本例很好地阐述了如何循序渐进地建立模型,即先求解流场,然后求解流场和传热,最后求解流场、传热及化学放热。
异构催化中的碳沉积
本例研究甲烷经过固体 Ni-Al203 催化剂的热分解,产生氢气和固体碳。碳沉积反过来会阻碍催化剂的流动,从而影响反应器的渗透率。该过程通过“反应工程”接口在一个完全混合的环境中并使用与空间相关的模型进行建模。
下一步:
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