在精细化工、制药和食品行业，间歇式反应器被用于制造各种产品。在某些情况下，精细化工生产可能比间歇式反应器需要更一致的操作条件，而连续板式反应器可以更好地控制过程。化学建模有助于设计针对热控制和产品纯度进行优化的连续板式反应器。
间歇式反应器与连续式反应器
化学工业中最常见的反应器是罐式反应器，可用作间歇式反应器或连续式反应器。间歇式反应器一次处理一批反应物，而 连续反应器以恒定的流量携带反应物，并进行连续、稳态的生产。
间歇式反应器用于从混合到结晶的一系列单元操作，并且能够在同一容器内进行一系列不同的反应。由于这些能力，它们对于测试新工艺和制造相对小批量生产的昂贵产品非常有用。例如，它们被用在精细化工行业，其中同一个反应器可用于多个过程（一次一个）。此外，一些化学品不适合连续工艺。例如，在发酵过程中，间歇反应器是可靠的选择，甚至可以为缓慢反应产生高转化率，在这种情况下，您只需让过程运行到完成。
在 COMSOL® 软件中模拟的间歇式反应器混合器图像。
连续式反应器通常是在稳定状态下运行的连续过程的一部分，并且可以连续运行数月而不会中断。它们是生产大宗化学品和石化产品最常用的选择，其产量比精细化工、制药和食品行业大几个数量级。
板式反应器
在精细化学工业中，有一种类型的反应器被用作罐式反应器的替代品:板式反应器。尽管价格昂贵，但有时板式反应器是确保高质量产品的最佳选择。因为这种类型的反应器用于相对较慢的反应，所以它的工作方式类似于具有相对较长停留时间的非常长的管式反应器。
板式反应器很少用于大规模工艺，因为它们会产生压力损失，需要大泵送功率才能大规模生产。当生产对温度或成分敏感的产品时，它们是罐式反应器的替代物，无论过程是间歇还是连续的。板式反应器在精细化工、制药和食品加工应用中是一个很好的选择，在这些应用中，质量非常重要，例如牛奶、啤酒或果汁的巴氏杀菌。
典型板式反应器中流经单个晶胞的模型。
使用COMSOL Multiphysics® 软件的化学反应工程模块，我们可以分析连续板式反应器设计中的反应流。
使用 COMSOL Multiphysics® 模拟板式反应器中的化工品生产
当模拟反应器板和冷却/加热板时，我们可以像处理热交换器模型一样处理模型设置，因为这些板是堆叠在一起的。下面模型的 3D 几何图形显示了反应器板的弯曲内部空间。在模型的左侧，有两个入口流可供反应物进入系统：
- 入口 I，A + B，在反应器顶部
- 入口 II，B，在反应器下方
模型还指出了热交换区，因为它们会影响模型的外边界。
在这个例子中，水溶液中发生了两个放热反应。第一个反应生成所需的产物 D（A + B 生成 D）。在第二个反应中，所需产物 D 与 B 反应生成不需要的产物 U（D+B 生成 U）。
设计目标是避免在板式反应器中产生不需要的产物。请注意，反应都是放热的，因此容易出现温度失控，我们需要找到一种方法来消散反应的热量，以便第一个反应能够以稳定的速度进行，同时抑制第二个反应。这可以通过冷却介质来实现。反应器的后半部分与温度低于前半部分的冷却介质进行热交换。
接下来，我们使用以下公式计算板式反应器内的耦合动量、能量和质量传递：
- 层流 接口，模拟稳态下Navier-Stokes 方程描述的动量传递（流体流动）
- 流体传热 接口，模拟能量平衡
- 稀物质传递 接口，模拟反应器域中的质量传递，考虑对流和扩散
有关这三个接口的边界条件的更多信息，请参阅板式反应器中的精细化学品生产教程中的模型文档。
仿真结果
让我们来看看反应器板中流体流动的流线。如下左图所示，反应物A的浓度用色标表示。我们可以看到，反应物A在板顶部的入口点(入口I)的浓度要高得多，并且随着其流向底部而降低。第二项研究的结果（右下方）显示了反应物 B 浓度的等值面。请注意，入口 II 处的注入流如何与主流混合，从而导致反应物 B 在反应器下部的分布更加均匀。总的来说，我们可以看到化学反应消耗了整个反应器体积的反应物。
流体流动的流线，反应物 A 的浓度用颜色表示（左）；反应器容积内反应物 B 的浓度（
最后，我们可以检查整个板的温度分布，如下图由水平和垂直剖切面表示。这些结果帮助我们看到，由于我们在模型中使用了冷却介质，反应释放的热量如何在整个反应器中快速冷却。
反应器板中的温度分布。
此示例模型可用作在反应堆系统中建立和求解耦合流动、质量和能量传输方程的指南教程。借助 COMSOL® 软件的化学建模功能，您可以进一步开发板式反应器设计，以帮助预测精细化学反应并提高产品质量。
下一步
点击下面的按钮，尝试自己建立板式反应器模型，您将进入 COMSOL “案例库”，访问相关的 MPH 文件和逐步建模说明。
拓展阅读
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