化学反应工程模块

理解化工过程和优化设计

数学模型可以帮助科研人员、开发人员和工程师理解反应系统的过程、现象和设计。“化学反应工程模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件平台的附加产品,提供了用于创建、检查和编辑化学方程、动力学表达式、热力学函数和输运方程的用户界面。在开发一个经过验证的模型后,您可以使用它来研究不同的工作条件和反应系统的设计,以及各种传输现象。通过使用不同的输入数据反复求解模型方程,可以真正理解所研究的系统。此外,通过将“化学反应工程模块”与 COMSOL Multiphysics® 中的其他工具一起使用,可以提供最先进的数学和数值方法,适用于化学系统的优化和参数估计。

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A plate reactor model with an isosurface plot showing the concentration of a chemical species in the Viridis color table.

化学反应工程模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件模拟许多工业过程中的传递现象和化学反应。

显示两个储罐中的浓度的一维绘图。

理想釜式反应器

模拟间歇式反应器、半间歇式反应器、全混流反应器、管式反应器和平推流反应器等理想系统。

以彩虹色显示啤酒发酵过程中的乙醛浓度的储罐模型。

食品加工

研究和设计食品工业的过程和现象。

单片转换器模型,其中使用 Rainbow 颜色表显示转换过程,并使用 HeatCamera 颜色表显示温度分布。

汽车和石油化工

模拟排气系统中的催化转换器和过滤器。

四缸发动机模型的温度和流场的局部放大图。

热力学

分析混合物属性如何取决于成分、压力和温度。

显示浓度的蛋白质吸附模型的局部放大图。

混合与分离

设计精细化工行业的混合与分离过程。

填充床反应器模型的溶质浓度的局部放大图。

环境科学

通过模拟固定多孔床等设备中的传递和吸附来研究如何消除污水流中的污染物。

中空纤维透析装置的污染物传输和浓度的局部放大图。

医学技术

测试透析膜等医疗设备中各种组件的设计要求。

药物释放模型的浓度的局部放大图。

制药过程

对化学和生物制药应用的设计和工艺进行优化。

UHV/CVD 模型的分子通量分数的局部放大图。

化学气相沉积

模拟 CVD 工艺(如晶圆制造)中吸附和沉积引起的基板表面的生长。

电动阀浓度的局部放大图。

动电效应

模拟柱和其他微流体系统中的电泳分离和传递。

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中的反应机理
  • 计算动力学、热力学和传递属性
  • 将研究扩展到空间相关的系统
    • 化学物质传递
    • 传热
    • 流体流动
    • 动电效应

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。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。

化学反应工程模块的特征和功能

“化学反应工程模块”提供一个内置的工作流程,用于在零维中模拟完全混合的系统,然后在二维和三维中模拟传输现象。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“反应工程”节点;“图形”窗口中显示整体式反应器模型的仿真结果。

定义反应动力学

模拟任何系统的第一步都是建立物料平衡。借助反应工程 接口,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。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“实验”节点;“图形”窗口中显示 DNA 降解模型的一维绘图。

参数估计

化学反应和反应机理的研究通常依赖于频率因子、活化能以及可以定量描述实验观察结果的其他参数的参数估计。用户可以将“化学反应工程模块”与优化模块结合使用,以访问化学动力学专用接口。

对于某个假定反应机理,模型参数估计的典型工作流程如下:首先,选择要估计的模型参数(比如速率常数),并输入参数的初始值和比例。然后,您可以将其链接到包含实验数据的文件,使数据列与模型变量相匹配。运行参数估计后,就可以在后处理中比较模型结果与实验测量数据。

“浓物质传递”设置的特写视图,“图形”窗口中显示聚合物多喷嘴模型。

化学物质传递

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。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,本模块还内置了含尘气体扩散模型。通过反应工程 接口生成空间相关的模型时,可以直接根据化学方程得到质量平衡模型的公式和传递属性。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“流体传热”节点;“图形”窗口中显示发动机冷却液模型的速度大小。

传热

“化学反应工程模块”中包含的传热功能可以分析传导传热、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。通过反应工程 接口生成空间相关的模型时,可以直接根据化学方程得到传热模型的公式以及热力学和传递属性。

“热力学系统”设置的特写视图,“图形”窗口中显示相包络线模型的一维绘图。

热力学属性数据库

“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来计算密度、热容、生成焓、反应焓、黏度、导热系数、二元扩散系数、活度和逸度。有关此功能的更多信息,请访问气液属性模块页面,这些功能都在“化学反应工程模块”中提供。

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。在定义反应机理时,反应物和产物可以与热力学属性数据库定义的属性包中的化学物质相匹配,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。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中“生成空间相关模型”节点处于选中状态,并显示其对应的“设置”窗口,“图形”窗口中以 AuroraBorealis 颜色表显示蛇形反应器中的浓度。

生成空间相关模型

一旦您有了完全混合系统的工作模型,就可以用它来自动定义空间相关系统的物料、能量和动量平衡。在反应工程 接口中计算的传递属性(例如热容、导热系数、黏度和二元扩散系数)会自动转移到化学物质传递、传热和流体流动物理场接口。借助此功能,您可以在转到二维、二维轴对称和三维模型之前,优化和完善化学反应的动力学和热力学表达式。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“稀物质传递”节点,“图形”窗口中显示多孔反应器模型。

流体流动

“化学反应工程模块”包含的流体流动功能可以处理层流和多孔介质流动。此外,通过将该模块与 CFD 模块结合使用,您还可以使用现成的耦合对湍流中的化学物质传递进行建模。通过反应工程 接口生成空间相关的模型时,可以直接根据化学方程得到流体流动模型的公式以及黏度和密度。

“传递属性”设置的特写视图,“图形”窗口中显示电动阀的浓度。

动电效应

对稀物质传递或浓物质传递建模时,您可以将电场作为传递的驱动力,用于模拟电解质和离子。Nernst-Planck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。

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,可以将表面反应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是很典型的。而在多孔介质中,这些反应的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。

“化学反应工程模块”包含两种情况下多相催化的现成公式:边界面上的表面反应以及分布在均质多孔催化剂上的表面反应。对于多孔催化剂,该模块提供预定义的多尺度模型来描述双峰孔隙结构。此类结构可以包含填充形成大孔颗粒床的微孔颗粒。

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