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化学反应工程模块:模拟质量和能量平衡

了解化学过程并优化设计

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,提供了可用于创建、检查和编辑模型方程、动力学表达式、函数和变量的用户界面。您可以开发经过验证的模型,并将其用于不同的工作条件和研究,帮助您直观地理解假设与结果之间的关系,继而产生新的想法。通过对各种不同输入条件求解模型方程,可以真正理解所研究的系统。不仅如此,“化学反应工程模块”和 COMSOL Multiphysics® 中的其他工具都是在不断优化的基础上开发的,为分析化学系统提供了最先进的数学和数值方法。

化学反应工程模块支持的建模对象

当您加入“化学反应工程模块”来进一步扩展 COMSOL Multiphysics® 平台时,不仅可以使用 COMSOL® 软件的核心功能,还可以访问用于传递现象和化学反应建模的各种特征。

化学反应工程模块包含的工具可用于:

  • 在化学动力学研究中建立详细的反应机理模型
    • 基本步骤
    • 活化能
    • 频率因子
    • 化学成分
    • 压力
    • 温度
  • 理想系统建模
    • 间歇式反应器
    • 半间歇式反应器
    • 全混流反应器
    • 管式反应器
    • 平推流反应器
  • 计算以下对象的热力学属性和传递属性
    • 气体
    • 气-液系统(闪蒸计算)
    • 液-液系统
    • 气-液-液系统
  • 对工业过程进行建模仿真
    • 传感器中的分析法
    • 汽车应用
    • 化学气相沉积
    • 环境科学
    • 食品加工
    • 散装化学品工业中的无机合成
    • 医学技术
    • 石化行业
    • 制药过程

多物理场耦合

  • 对浓混合物和稀溶液中的传递现象和以下物理现象进行耦合模拟
    • 传热
    • 层流和湍流
    • 多相流
    • 多孔介质流动
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。 汽车应用中,用于废气处理的 NOx 还原的单片转换器的转换过程和温度分布。
层流静态混合器模型,其中使用 Cividis 颜色表显示流场流线和浓度。 层流静态混合器中的流场流线和浓度图。
间歇式反应器模型的一维图,显示了不同化学物质的成分随时间的变化情况。 在完全混合的间歇式反应器中,化学成分随时间的变化情况。这种液体混合物是布洛芬反应器的典型混合物。

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,识别反应机理并计算动力学参数,例如频率因子和活化能。
  • 计算热力学属性和传递属性。
  • 将研究扩展为空间相关的系统,其中温度和成分可能存在空间变化。这意味着必须结合化学反应来考虑化学物质的传递、传热和流体流动。
  • 通过与“CFD 模块”耦合使用,可以对多孔介质或湍流中的有效传递属性进行建模和计算。

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。

工程师、科研人员和设计人员可以使用本模块来快速有效地定义模型,求解模型方程,执行参数分析并计算仿真研究的结果。此外,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。

该流程图显示如何从一个与空间无关的模型着手,将其扩展为包含与空间相关的传递现象,从而对复杂的反应机理进行建模。 对于复杂的反应机理,一种可能的建模方法是从与空间无关的模型着手,将其扩展为包含传递现象。与空间相关的模型显示了食品和制药等工业的间歇过程中常用的搅拌反应釜。

研究完全混合系统中的化学反应机理

模拟化学反应工程过程的第一步是研究完全混合系统中的反应机理。反应工程 接口是在研究传递现象之前,用来研究这些系统的主要工具。

任何系统建模的第一步都是建立物料平衡。在 COMSOL Multiphysics® 中,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。

 

“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于计算密度、热容、生成焓、反应焓、黏度、导热系数、二元扩散系数、活性和逸度。

本模块提供以下热力学模型:

气体混合物

  • 理想气体
  • Peng-Robinson
  • Peng-Robinson(Twu)
  • Soave-Redlich-Kwong
  • Soave-Redlich-Kwong(Graboski-Daubert)

液体混合物

  • Chao-Seader(Grayson-Streed)
  • Wilson
  • NRTL
  • UNIFAQ VLE
  • UNIQUAC
  • 正规溶液
  • 扩展的正规溶液
  • 理想溶液

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,后者可以定义在反应系统模型中使用的函数和方程。请注意,属性包定义的函数可用于完全混合的系统和空间相关的系统。反应工程化工 接口支持分别将函数和方程自动链接到完全混合系统和空间相关系统的模型。

当您在反应工程化工 接口中定义反应机理以及一组反应物和产物时,可以将这些反应物和产物与热力学属性数据库定义的属性包中的化学物质进行匹配,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。

对于完全混合的系统,通过结合使用反应工程 接口和属性包,可以定义和求解用于描述物料平衡和能量平衡的全耦合方程。得到的结果是在一组给定的初始条件和工作条件下,反应系统的温度和组成随时间的变化情况。

除此之外,热力学属性数据库还可以用来计算不发生化学反应的系统中流体的热容、密度、导热系数和黏度。混合物的属性高度依赖于温度和组成。请注意,这里描述的所有功能构成了气液属性模块,它是“化学反应工程模块”的子模块。

四缸发动机冷却系统模型,其中使用 HeatCamera 颜色表来显示温度和流量分布。 四缸发动机冷却系统中的温度和流量分布。溶液由水和乙二醇组成。

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。

蛋白质降解模型的一维图形,其中将实验数据与参数估计研究进行比较。 这个具体的例子比较了实验数据与通过参数估计得到的仿真结果,其中研究生物技术应用中的蛋白质降解动力学。

一旦您有了完全混合系统的工作模型,就可以使用它直接从反应工程 接口自动定义空间相关系统的物料、能量和动量平衡。此功能使您可以在二维、二维轴对称和三维中定义各种问题,分析多组分传递、传热和流体流动。随后,在反应工程 接口中计算得到的传递属性(例如,热容、导热系数、黏度和二元扩散系数)会自动显示在空间相关的传递接口中。

一个三维模型,使用白色到蓝色的渐变显示蛇形微反应器中的烃脱卤。 您可以使用与空间无关的模型(零维)基于化学方程和热力学属性来自动定义化学物质传递、传热和流体流动方程。

空间相关模型

多组分传递

本模块中用于描述物料、能量和动量平衡(与反应动力学耦合)的公式的结构和命名方法取自 Bird、Stewart 和 Lightfoot 所著的教科书《Transport Phenomena》;这样的用户界面是工业领域和学术机构的化学工程师耳熟能详的形式。

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物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。

动电效应

在电解质和离子建模过程中,浓物质传递稀物质传递 接口都可以包含电场作为传递的驱动力。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。

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,软件还内置了含尘气体扩散模型。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到质量平衡模型的公式和传递属性。

流体流动

“化学反应工程模块”中的流体流动接口可以处理层流和多孔介质流动。不仅如此,在与“CFD 模块”结合使用时,还提供现成的耦合分析功能,可用于模拟湍流中的化学物质传递。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到流体流动模型的公式以及黏度和密度。

传热

“化学反应工程模块”中包含的传热接口可以分析传导传热、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。通过使用反应工程 接口中的生成空间相关模型 功能,可以直接从化学方程得到传热模型的公式以及热力学属性和传递属性。

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,可以用两种不同的方式来处理表面反应:

  • 将其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相当典型。
  • 将其作为多孔介质中的反应,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。

反应工程化工 接口还可以处理与空间无关的模型中的表面物质和表面反应,以进行机理研究,并自动将动力学导出至边界表达式(如上面的第一个选项),或将其作为多孔介质中的均质反应(如上面的第二个选项)。

使用 Rainbow 颜色表显示氢分布的管式反应器模型。 使用多孔介质流动以及多组分传递和反应来模拟管式反应器中的氢分布。
演示溶质分离的电动阀模型,其中显示水平方向的流动和垂直通道中的电场。 电动阀中的溶质分离。在垂直通道中施加电场时,水平方向发生流动。垂直流动的电解质中的带电离子在垂直通道中向下迁移。
多喷嘴反应器模型,用白色到深蓝色的等值面显示了湍流中反应物的浓度分布。 本例描述多喷嘴反应器中的湍流反应流,使用等值面来描绘反应物的浓度分布。其中发生的反应是尼龙制造等工艺中使用的缩聚反应,缩合聚合物具有可生物降解的优点。
显示多尺度表面反应模型的流程图,其中包含异质颗粒反应、均质多孔颗粒以及具有双重孔隙度的均质层。 在本例中,我们可以在详细的几何形状中模拟与传递耦合的表面反应和本体中的反应(左上角),可以将其建模为均质多孔颗粒(右上角)和具有双重孔隙度的均质层(右下角)。

构建仿真 App 以简化仿真过程

您可以使用 COMSOL Multiphysics® 中的“App 开发器”为任何现有模型构建用户界面。借助这一工具,您可以为特定目的创建定制的仿真 App,并在其中包含明确定义的输入和输出。仿真 App 可用于各种不同的目的:

  • 通过录制 GUI 操作自动执行可与单个命令关联的困难任务和重复任务,这些操作可能是难以正确重现的复杂参数化序列
  • 根据特定的例程在大量参数化仿真的基础上创建并更新报告,从而获得最佳的可重复性和质量
  • 为特定的模型提供用户友好的界面,借助仿真 App 帮助建模和仿真方面的非专业人员加速理解,从强大的优化功能中受益
  • 在组织内部增加对模型的访问量,利用仿真进行产品开发和设计,使组织获得最大的投资回报
  • 通过向客户提供简单易用的仿真 App,在客户根据其中嵌入的高精度模型选择产品时得到客户的认可,从而赢得竞争优势

您在 COMSOL Multiphysics® 中构建仿真 App 之后,就可以通过 COMSOL Compiler™COMSOL Server™ 产品将它分享给您的同事或客户使用。

COMSOL Multiphysics 仿真 App 的用户界面,显示了“描述”、“输入”、“结果”和“仿真信息”栏,以及一个“图形”窗口,其中绘制了乙烯转化为乙醇过程中物质的摩尔分数。 用户可以使用该仿真 App 计算乙烯到乙醇气相转化中的平衡组成,并研究初始条件和操作条件对乙醇生产的影响。

每个公司、每个仿真需求都是独特的。
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