为什么需要设计化工与电化学工艺?

工程师可以从多个层次对化工与电化学工艺进行分析、模拟与设计。通常,我们会选择分析化学反应动力学,我们需要理解其中的反应过程,并以此作为设计标准。然而,在设计整套工艺时,反应器往往需要与周围单元协同运作,因此必须基于它们之间的关系进行优化。本陈列室展示了我们能够模拟的各种现象,例如反应动力学、传质与传热以及流体流动,这将为反应器、加工设备以及涉及化学与电化学现象的各种系统的设计提供极大帮助。

视频:智能仿真带来更卓越的工艺设计

 

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反应工程

模拟与仿真使我们能够理解、预测和优化反应工程中的各种工艺与现象。模型可能涉及化学物质传递、传热、流体流动,以及化学反应。传递与反应可能发生在层流、湍流与多孔介质流动,以及两相或多相混合物中。反应可能是均相反应,但也可能发生在多相反应的催化表面。设定模型时,可以轻松定义可逆、不可逆和平衡反应动力学。关联这些因素与系统中的化学物质传递、流体流动和传热,我们将能更加深刻地理解反应过程,并做出优秀的反应器设计。

专题教程:

整装反应器中的脱氮反应

寻找合适剂量的NH3,使尾气通过排气管时完全脱去其中的 NOx。先在维模型中进行了初始化学反应动力学和传热分析,然后建立耦合了传质、传热与流体流动物理场的三维模型。

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专题教程:

生物传感器设计

学习如何结合表面反应与液流中的传质,模拟生物传感器中一个包含微柱阵列的流通池。微柱包覆有活性物质,能够吸收样品流中的某种分析物。附加 App 使用户能够更改设计并查看对结果的影响。

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专题视频:

固定床反应器

深入研究了在模拟自由流体流动与多孔介质流中的多相催化时涉及的物理场,以及传递属性。两种物质主要在进入催化床前进行混合,之后这两种物质消耗并生成第三种物质。结果显示了这三种物质在稳态时的浓度分布,以及沿反应床截面的反应速度。


访问以下页面了解化学反应与反应器的更多相关信息:

混合与分离

有效的反应器与工艺设计通常依赖于对化学物质组分的有效混合与后续的分离,这可以通过物质及搬运流体的各种固有的物理属性实现。其中包括要考虑在层流或湍流单相流或多相流的稀溶液或浓溶液及混合物中,以对流、扩散和离子迁移进行的传质。此外,模拟混合和静态反应器中的微柱和导流板的尺寸与布局,可以帮我们做出更好的反应器设计;对膜、过滤器和过滤屏机制的理解将帮助设计出高效的分离组件。

专题教程:

去除二次沉淀池中的污染物

研究二次沉淀净化池中的复杂湍流多相流。

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专题教程:

层流静态混合器中的粒子轨迹

分析扭曲叶片静态混合器中的流动; 模型计算了通过搅拌器的悬浮粒子轨迹,进而评估了混合性能。

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专题用户故事:

模拟层流静态混合器

Veryst Engineering LLC/Nordson EFD
(2012)

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传热

设计化学与电化学应用时,对加热与冷却的控制通常是很重要的一步。从计算化学物质及其反应的热力学到动力学属性,到设定焓平衡,再到模拟主要以对流进行传热的流体流动,需要考虑很多过程。此外,我们需要同时考虑所有这些方面,因为热会影响其他许多现象,比如反应动力学和流体的属性与流动。

专题教程:

热分解

模型耦合了流体流动与传热和传质属性,展示了一个发生放热反应的平行板反应器中的速度 (A)、温度 (B) 和浓度 (C)。

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专题用户故事:

模拟帮助 Teflon® 改进了生产的安全性

BAM 德国联邦材料实验研究 & 测试院
(2011)

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专题视频:

壳 - 管换热器模型教程

观看壳 - 管换热器教程视频,学习如何在 COMSOL Multiphysics 中模拟非等温流。结果包括得到稳态解后的温度剖面,两种流体(空气与水)的流线。


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电池与燃料电池

设计电池与燃料电池的基本准则是要优化能量密度与能量效率,同时维持更长的使用时间。许多因素会影响这些要求的实现,包括自由介质、多孔介质,以及膜上的传递过程、电化学反应动力学、传热,以及结构力学。电池与燃料电池行业中的各类电池,例如铅酸电池、锂离子电池、固体氧化物燃料电池 (SOFC),以及质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 等,设计时都需要针对不同物理效应采取不同的策略,同时还要遵循相同的电化学原则。

专题教程:

高温 PEM 燃料电池中的传质分析

分析质量与动量传递现象,以及 PEM 燃料电池中不同部件的电化学电流。

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专题用户故事:

Highly Accurate Li-ion Battery Simulation

French Atomic and Alternative Energy Commission (CEA)
(2013)

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专题白皮书:

模拟锂离子电池

(2012)

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专题教程:

锂离子电池的阻抗

本教程模拟了锂离子电池中的阻抗,并运行了一次优化研究以将结果拟合至实验数据,我们可以从其中提取 4 个控制变量。我们创建的 App 支持轻松输入电池属性、读取实验数据,以及运行参数估计。

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访问以下页面了解电池与燃料电池的更多相关信息:

腐蚀与腐蚀防护

腐蚀是一个电化学过程,在未采取防护措施的情况下,它将会严重破坏结构。通过模拟腐蚀电势分布或由 Tafel 和/或 Butler-Volmer 方程描述的电流密度分布,仿真能够帮助理解电偶、点蚀和缝隙腐蚀的基本机制和长期影响。您也可以用它来帮助设计及测试各种防护系统,例如外加电流阴极保护 (ICCP) 和牺牲阳极保护。

专题教程:

石油平台的腐蚀防护

模拟了使用牺牲铝阳极进行腐蚀防护的系统中的一次电流分布,以找出阳极和钢结构上的电解质电势。

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专题用户故事:

以仿真为导向的腐蚀防护策略

美国海军研究实验室 (NRL)
(2014)

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专题用户故事:

潜艇:腐蚀防护或发现敌人?

德国杜伊斯堡大学
(2012)

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电镀池设计

电镀工艺最重要的一个方面是要获取一层厚度均匀的沉积金属。不论是在电子、磨损防护、腐蚀防护,或是装饰性电镀应用中,阴极表面电流密度的均匀程度都是其最重要的一个要求。这可以通过电镀池和电极设计实现。通过仿真您可以分析电镀池与电极结构、电极动力学、传质,以及电解质属性对电流密度分布的影响。利用同样的方式,您也可以模拟电解提纯与电解沉积,以及电铸、刻蚀以及电加工等工艺。

专题教程:

电感器线圈的电镀

光致抗蚀膜上有一层扩散电解液层,其中铜线圈在光致抗蚀隔离膜上拉伸出一个沉积图案。使用移动网格和瞬态研究获取的结果包括:电解液中的铜浓度(上部)、电流密度,以及电极厚度的变化。

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专题教程:

沟槽镀铜

使用移动网格进行三次电流分布研究,模拟电路板上的镀铜工艺。在瞬态模型中展示了窄深孔开口处由于非均匀镀铜产生的缩孔效果。

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工业与分析电化学应用

电解、电渗析、电分析、电化学传感器,以及生物电化学是希望得到模拟的最广泛电化学应用。这些应用中存在多种分析类型,可以用来确定交换电流密度、电荷转移系数、活化比表面积、扩散系数,以及反应机理。分析类型包括循环伏安法、电流测定法、电势测定法、电化学阻抗,以及电量测定法等。

专题教程:

电化学阻抗谱 (EIS)

利用电解分析接口进行模拟,EIS 在电池电势中施加了小振荡扰动,借以研究电化学系统中的动力学和传递属性。

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专题教程:

含丝网电极的电化学电池

模型运行了一次、二次以及三次电流分布研究,借以分析电化学池中的电流密度分布。模拟电化学应用时,较好的做法是以复杂程度递增的方式顺序模拟这些研究,如本例所示。

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专题用户故事:

模拟血糖试纸中的电化学

Lifescan Scotland
(2013)

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开启化学工程与电化学工艺的设计之旅

化学与电化学应用模拟是一项非常有用的工具,能为设备与系统的设计与优化提供极大帮助。

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