Bulk Chemicals
Simulate space-dependent continuous stirred mixers and tank reactors for high flow rates.
Chemical Reaction Engineering Module
Chemische Prozesse und Designs Verstehen und Optimieren
Mathematische Modelle helfen Wissenschaftlern, Entwicklern und Ingenieuren, Prozesse, Phänomene und Designs chemischer Systeme zu verstehen. Das Chemical Reaction Engineering Module, ein Add-On zur COMSOL Multiphysics® Softwareplattform, bietet Benutzeroberflächen zum Erstellen, Prüfen und Bearbeiten von chemischen Gleichungen, kinetischen Ausdrücken, thermodynamischen Funktionen und Transportgleichungen. Nach der Entwicklung eines validierten Modells kann dieses für die Untersuchung verschiedener Betriebsbedingungen und Designs von chemischen Systemen und Transportphänomenen verwendet werden. Das wiederholte Lösen der Modellgleichungen für verschiedene Eingaben führt zu einem echten Verständnis des untersuchten Systems. Darüber hinaus bietet das Chemical Reaction Engineering Module zusammen mit anderen Tools in COMSOL Multiphysics® modernste mathematische und numerische Methoden für die Optimierung und Parameterschätzung chemischer Systeme.
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Was Sie mit dem Chemical Reaction Engineering Module modellieren können
Modellieren Sie Transportphänomene und chemische Reaktionen in vielen industriellen Prozessen mit der COMSOL® Software.
Specialty Chemicals
Study reaction kinetics and mass transport to design processes for the fine chemicals industry, such as extraction and distillation processes.
Biotechnology and Pharmaceuticals
Optimize designs and processes for biotech and pharmaceutical applications by modeling the transport and reactions of drugs in tissue and across membranes.
Food Processing
Investigate heat transfer and reactions during pasteurization or study other processes in the food industry, such as drying, cooking, and fermentation.
Petrochemical
Model catalyst deactivation and pressure losses in packed bed reactors.
Environmental Technology
Investigate the elimination of pollutants in effluent streams using separation processes such as adsorption, membrane filtration, and crystallization.
Semiconductors
Study the rate of chemical vapor deposition (CVD) as a function of fluid flow and reaction kinetics in a CVD boat reactor.
Consumer Products
Design static mixers for laminar flow —such as mixers for epoxies, silicones, and acrylic resins — that achieve the desired emulsion properties.
Polymers
Study different aspects of polymer production processes, such as the dissolution of reactants, polymerization reactions, curing reactions, and filtration of the product stream.
Agricultural Chemicals
Investigate optimal process conditions and reactor design for the production of fertilizers, pesticides, and herbicides.
Übersicht über Modellierungsstrategie und Workflow
Realistische Beschreibungen von reaktiven Systemen in wissenschaftlichen und technischen Studien müssen oft sowohl Transportphänomene als auch chemische Reaktionen berücksichtigen, um einen Prozess oder ein Design zu verstehen und zu optimieren. Das Chemical Reaction Engineering Module ist auf den typischen Workflow in der Chemie und dem Chemieingenieurwesen zugeschnitten, der die folgenden Schritte umfasst:
- Untersuchung von Reaktionsmechanismen in idealen, perfekt gemischten Systemen
- Berechnung kinetischer, thermodynamischer und Transporteigenschaften
- Erweiterung der Untersuchungen auf raumabhängige Systeme
- Transport chemischer Spezies
- Wärmetransport
- Strömung
- Elektrokinetische Effekte
Der oben beschriebene Workflow kann in vielen verschiedenen Bereichen angewandt werden, die chemische Reaktionen beinhalten, und zwar in allen Größenordnungen, von der Nanotechnologie und Mikroreaktoren bis hin zu Umweltstudien und Geochemie. Der gesamte Prozess, von der Modelldefinition bis zur Präsentation der Ergebnisse, ist in der Software dokumentiert, um Transparenz und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
Features und Funktionalitäten im Chemical Reaction Engineering Module
Das Chemical Reaction Engineering Module bietet einen integrierten Workflow für die Simulation von perfekt gemischten Systemen in 0D, gefolgt von Transportphänomenen in 2D und 3D.
Definition der Reaktionskinetik
Der erste Schritt bei der Modellierung eines Systems ist die Aufstellung der Materialbilanzen. Mit dem Reaction Engineering Interface können Sie chemische Gleichungen eingeben und erhalten automatisch die Materialbilanzgleichungen für die chemischen Spezies im System sowie die Energiebilanzgleichungen für das System. Wenn Sie den Reaktionsmechanismus eingeben, werden die kinetischen Ausdrücke in Abhängigkeit von den Spezieskonzentrationen automatisch aus dem Massenwirkungsgesetz für elementare Schritte abgeleitet. Sie können auch Ihre eigenen analytischen Ausdrücke für die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Konzentrationen der Spezies und der Temperatur eingeben.
Die Materialbilanzen und die reaktionskinetischen Ausdrücke ergeben die gewöhnlichen Differentialgleichungen, die von der Software automatisch formuliert werden. Für einen perfekt gemischten Batch-Reaktor ergibt die Lösung der Gleichungen die Zusammensetzung der Reaktionsmischung mit der Zeit.
Generierung Raumabhängiger Modelle
Wenn Sie ein funktionierendes Modell für ein perfekt gemischtes System haben, können Sie dieses Modell verwenden, um automatisch Material-, Energie- und Impulsbilanzen für raumabhängige Systeme zu definieren. Die im Reaction Engineering Interface berechneten Transporteigenschaften (zum Beispiel Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und binäre Diffusivität) werden automatisch auf die Physik-Interfaces für den Transport chemischer Spezies, den Wärmetransport und die Strömung übertragen. Mit dieser Funktionalität können Sie Ihre kinetischen und thermodynamischen Ausdrücke der chemischen Reaktionen verfeinern und perfektionieren, bevor Sie zu 2D-, achsensymmetrischen 2D- und 3D-Modellen übergehen.
Transport Chemischer Spezies
Die Modellierung von Transportphänomenen in reagierenden Systemen beinhaltet die Beschreibung der chemischen Spezies in sogenannten Mehrkomponententransportmodellen. Das Chemical Reaction Engineering Module enthält hochentwickelte Modelle für den Mehrkomponententransport im Transport of Concentrated Species Interface, in dem Sie zwischen der Maxwell-Stefan-Formulierung und den mischungsgemittelten Modellen für den Mehrkomponententransport wählen können. Für verdünnte Lösungen können Sie auch das Transport of Diluted Species Interface wählen, das Fälle behandelt, in denen die Wechselwirkungen in der Lösung durch Wechselwirkungen zwischen Lösung und Lösungsmittel dominiert werden. Das Interface Dispersed Two-Phase Flow with Species Transport kann verwendet werden, um den Transfer chemischer Spezies zwischen zwei unmischbaren Fluid-Phasen zu beschreiben. Die Gleichungen für den Transport chemischer Spezies stehen auch für poröse Medien zur Verfügung, um die Knudsen-Diffusion zu berücksichtigen. Das Dusty-Gas-Diffusion-Modell ist ebenfalls enthalten. Die Formulierung des Massenbilanzmodells sowie die Transporteigenschaften können direkt aus den chemischen Gleichungen gewonnen werden, wenn Sie ein raumabhängiges Modell über das Reaction Engineering Interface erstellen.
Elektrokinetische Effekte
Bei der Modellierung des Transports verdünnter oder konzentrierter Spezies können Sie elektrische Felder als Antriebskraft für den Transport für das Modellieren von Elektrolyten und Ionen mit einbeziehen. Die Nernst-Planck und Electrophoretic Transport Interfaces sind der Modellierung von Elektrolyten gewidmet und können die Formulierungen der Poisson-Gleichung oder die Elektroneutralitätsbedingung für die Ladungsbilanz im Elektrolyten enthalten. Zu den Anwendungen dieser Funktionalität gehören elektrokinetische Ventile, elektroosmotischer Fluss und Elektrophorese.
Datenbank Thermodynamischer Eigenschaften
Das Chemical Reaction Engineering Module enthält eine Datenbank mit thermodynamischen Eigenschaften, mit der Sie die Eigenschaften von Gasgemischen, Flüssigkeitsgemischen, Gas-Flüssig-Systemen im Gleichgewicht (Flash-Berechnungen), Flüssig-Flüssig-Systemen und Gas-Flüssig-Flüssig-Systemen im Gleichgewicht berechnen können. Es gibt eine Vielzahl von thermodynamischen Modellen, die zur Berechnung von Dichte, Wärmekapazität, Bildungsenthalpie, Reaktionsenthalpie, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, binärer Diffusionsfähigkeit, Aktivität und Fugazität verwendet werden können. Lesen Sie auf der Seite Liquid & Gas Properties Module mehr über diese Funktionalitäten, die alle im Chemical Reaction Engineering Module enthalten sind.
Mit der Datenbank für thermodynamische Eigenschaften können Sie ein sogenanntes Eigenschaftspaket für ein bestimmtes reagierendes System erstellen, indem Sie die im System vorhandenen chemischen Spezies, die gewünschten Eigenschaften und das thermodynamische Modell auswählen. Bei der Definition von Reaktionsmechanismen können die Reaktanten und Produkte mit den chemischen Spezies in dem von der Datenbank für thermodynamische Eigenschaften definierten Eigenschaftspaket abgeglichen werden. Durch diesen Abgleich werden die vom Eigenschaftspaket generierten Funktionen und Gleichungen automatisch mit dem Modell des reagierenden Systems verknüpft.
Parameterschätzung
Studien zu chemischen Reaktionen und Reaktionsmechanismen beruhen in der Regel auf der Schätzung von Frequenzfaktoren, Aktivierungsenergien und anderen Parametern, die experimentelle Beobachtungen quantitativ beschreiben können. Das Chemical Reaction Engineering Module kann mit dem Optimization Module kombiniert werden, um ein spezielles Interface für chemische Kinetik zu erhalten.
Der typische Workflow für die Schätzung von Modellparametern für einen bestimmten angenommenen Reaktionsmechanismus sieht wie folgt aus. Sie wählen zunächst die zu schätzenden Modellparameter aus, z.B. die Geschwindigkeitskonstanten, und geben Anfangswerte und Skalen für die Parameter ein. Dann können Sie eine Verknüpfung zu der Datei herstellen, die die experimentellen Daten enthält, und die Datenspalten mit den Modellvariablen abgleichen. Sobald Sie die Parameterschätzung durchgeführt haben, können Sie die Modellergebnisse und die experimentellen Messungen im Postprocessing vergleichen.
Strömung
Die im Chemical Reaction Engineering Module enthaltene Strömungsfunktionalität kann laminare Strömung und Strömung in porösen Medien behandeln. In Kombination mit dem CFD Module gibt es außerdem fertige Kopplungen für die Modellierung des Transports chemischer Spezies in turbulenter Strömung. Die Formulierung des Strömungsmodells sowie die Viskosität und Dichte können direkt aus den chemischen Gleichungen abgeleitet werden, wenn Sie ein raumabhängiges Modell über das Reaction Engineering Interface erstellen.
Wärmetransport
Die im Chemical Reaction Engineering Module enthaltene Funktionalität für den Wärmetransport kann Wärmetransport durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung berücksichtigen. Der Strahlungsterm ist durch die Strahlung von der Oberfläche an die Umgebung gegeben, während für die Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche und die Strahlung in beteiligten Medien das Heat Transfer Module erforderlich ist. Die Möglichkeiten im Chemical Reaction Engineering Module umfassen den Wärmetransport in Fluiden, Festkörpern und porösen Medien. Die Formulierung des Wärmetransportmodells sowie die thermodynamischen und Transporteigenschaften können direkt aus den chemischen Gleichungen gewonnen werden, wenn Sie ein raumabhängiges Modell über das Reaction Engineering Interface erstellen.
Oberflächenreaktionen und Heterogene Katalyse
Oberflächenreaktionen sind typisch für die heterogene Katalyse sowie für Oberflächenabscheidungsprozesse wie die chemische Gasphasenabscheidung. Sie finden sich in der Massenchemie, zum Beispiel im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak und in Mikrosensoren zum Nachweis sehr geringer Mengen von Tracern, die an Oberflächen adsorbieren und zum Beispiel durch eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften nachgewiesen werden können.
In Transport-Reaktions-Modellen können Oberflächenreaktionen als Randgleichungen behandelt werden, die mit den Randbedingungen für die Transport- und Reaktionsgleichungen gekoppelt sind. Dies wäre typisch für Modelle unterhalb der oder bis zur mikroskopischen Skala. Alternativ werden diese Reaktionen in porösen Medien ähnlich behandelt wie homogene Reaktionen, aber unter Einbeziehung der spezifischen Oberfläche (Fläche pro Volumeneinheit des porösen Materials) und der effektiven Transporteigenschaften. Dies wäre typisch für Modelle sowohl auf der mikroskopischen als auch auf der makroskopischen Skala, sogenannte Multiskalenmodelle.
Das Chemical Reaction Engineering Module enthält vordefinierte Formulierungen für die heterogene Katalyse für beide Fälle: Oberflächenreaktionen auf Randflächen sowie Oberflächenreaktionen, die über einen homogenisierten porösen Katalysator verteilt sind. Für poröse Katalysatoren sind Multiskalenmodelle vordefiniert, um bimodale Porenstrukturen zu beschreiben. Solche Strukturen können aus mikroporösen Pellets bestehen, die so gepackt sind, dass sie ein makroporöses Pelletbett bilden.
Jedes Unternehmen und jeder Simulationsbedarf ist einzigartig.
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