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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Modell eines Plattenreaktors, das die Konzentration einer chemischen Spezies mittels einer Isosurface-Darstellung in der Viridis-Farbskala zeigt.

Was Sie mit dem Chemical Reaction Engineering Module modellieren können

Modellieren Sie Transportphänomene und chemische Reaktionen in vielen industriellen Prozessen mit der COMSOL® Software.

Ein 1D-Diagramm, das die Konzentration in zwei Tanks zeigt.

Ideale Tankreaktoren

Simulieren Sie ideale Systeme wie Batch-, Semibatch-, Kontinuierliche-Rührkessel-, Rohr- und Kolbenströmungs-Reaktoren.

Ein Modell eines Tanks, das die Acetaldehydkonzentration in gärendem Bier in Regenbogenfarben zeigt.

Lebensmittelverarbeitung

Untersuchung und Design von Prozessen und Phänomenen in der Lebensmittelindustrie.

Ein Modell eines monolithischen Katalysators, bei dem die Reaktionskoordinate in einer Rainbow-Farbtabelle und die Temperaturverteilung in einer Wärmebildkamera-Farbtabelle dargestellt ist.

Automobil und Petrochemie

Modellieren Sie Katalysatoren und Filter in Abgasanlagen.

Detaillierte Darstellung von Temperatur und Strömung eines Vierzylinder-Motormodells.

Thermodynamik

Analysieren Sie, wie die Eigenschaften von Gemischen von der Zusammensetzung, dem Druck und der Temperatur abhängen.

Detailansicht eines Proteinadsorptionsmodells mit Darstellung der Konzentration.

Mischen und Trennen

Entwicklung von Misch- und Trennprozessen in der Feinchemie.

Detaillierte Darstellung der Konzentration gelöster Stoffe in einem Festbettreaktormodell.

Umweltwissenschaften

Untersuchung der Schadstoffbeseitigung in Abwasserströmen durch Modellierung von Transport und Adsorption, zum Beispiel in porösen Festbetten.

Detaillierte Darstellung des Schadstofftransports und der Schadstoffkonzentration in einem Hohlfaserdialysegerät.

Medizintechnik

Testen Sie die Konstruktionsanforderungen für verschiedene Komponenten in medizinischen Geräten, wie zum Beispiel Dialysemembranen.

Eine detaillierte Ansicht der Konzentration eines Modells zur Wirkstofffreisetzung.

Pharmazeutische Prozesse

Optimierung von Designs und Prozessen für chemische und biopharmazeutische Anwendungen.

Eine Detailansicht des Molekülflussanteils eines UHV/CVD-Modells.

Chemische Gasphasenabscheidung

Modellieren Sie Wachstum auf einer Substratoberfläche durch Adsorption und Abscheidung in CVD-Prozessen wie der Wafer-Herstellung.

Eine Detailansicht der Konzentration eines elektrokinetischen Ventils.

Elektrokinetische Effekte

Modellieren Sie elektrophoretische Trennung und Transport in Trennsäulen und anderen mikrofluidischen Systemen.

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.

Eine Nahansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Reaction Engineering Knoten und Simulationsergebnissen für das Modell eines Monolith-Reaktors im Grafikfenster.

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.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die den Model Builder mit ausgewähltem Generate Space-Dependent Model Knoten, den entsprechenden Einstellungen, und die Konzentration eines gewundenen Reaktors in der  AuroraBorealis-Farbskala im Grafikfenster zeigt.

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.

Eine Nahansicht des Model Builder mit dem ausgewählten Knoten Dispersed Phase Transport of Diluted Species und einem Extraktionssäulen-Modell im Grafikfenster.

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.

Eine Nahansicht der Einstellungen für die Transporteigenschaften und die Konzentration eines elektrokinetischen Ventils im Grafikfenster.

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.

Eine Nahansicht der Thermodynamic System Einstellungen und eine 1D-Darstellung einer Phasenhüllkurve im Grafikfenster.

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.

Eine Nahansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Experiment Knoten und einer 1D-Darstellung eines Modell des DNA-Abbaus im Grafikfenster.

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.

Eine Nahansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Transport of Diluted Species Knoten und dem Modell eines Festbett-Reaktors im Grafikfenster.

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.

Eine Nahansicht des Model Builder mit hervorgehobenem Heat Transfer in Fluids Knoten und der Geschwindigkeit eines Motorkühlmittel-Modells im Grafikfenster.

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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