Chemical Reaction Engineering Module
Chemical Reaction Engineering Module
Modellierung von Stoff- und Energiebilanzen mit dem Chemical Reaction Engineering Module
Ein Plattenreaktor, in dem chemische Reaktionen stattfinden und die reagierenden Spezies an zwei Stellen in den Reaktor eingeführt werden.
Perfekt für alle Verfahren in der chemischen und der Prozessindustrie
Mit dem Chemical Reaction Engineering Module lassen sich chemische Reaktoren, Filterapparaturen, Mischer und ähnliche Prozesse einfach optimieren. Das Modul stellt Werkzeuge zur Verfügung, mit denen Sie den Materialtransport und den Wärmetransfer zusammen mit der chemischen Reaktionskinetik in allen Arten von Umgebungen - Gase, Fluidströmungen, poröse Medien, auf Oberflächen und in Festphasen - oder eine Kombination dieser simulieren können. Dadurch ist das Modul perfekt für alle Aspekte der chemischen und der Prozessindustrie geeignet, und dies gilt sogar für die Umwelttechnik, in der die "Verfahrenseinheit" oder der "chemische Reaktor" das Umfeld ist, das Sie umgibt.
Konvektion und Diffusion und die chemische Reaktionskinetik
Das Chemical Reaction Engineering Module bietet Ihnen intuitive Interfaces, mit denen Sie den Materialtransport in verdünnten oder konzentrierten Lösungen oder Gemischen durch Konvektion, Diffusion und Migration einer beliebigen Anzahl von chemischen Spezies definieren können. Diese lassen sich einfach mit der Kinetik von reversiblen, irreversiblen und Gleichgewichtsreaktionen, die durch die Arrhenius-Gleichung oder einem beliebigen Geschwindigkeitsgesetz beschrieben werden kann. Hierbei können auch die Auswirkungen von Konzentration und Temperatur auf die Kinetik einbezogen werden. Das Interface für das Definieren von chemischen Reaktionen ist unkompliziert, weil Sie die chemischen Formeln und Reaktionsgleichungen im Wesentlichen so eingeben, als würden Sie diese auf Papier schreiben. COMSOL formuliert anhand der eingegebenen Reaktionsgleichungen die geeigneten Reaktionsausdrücke mithilfe des Massenwirkungsgesetzes, die Sie abändern oder mit Ihren eigenen kinetischen Ausdrücken überschreiben können. Die Stöchiometrie der Reaktionsgleichungen wird dazu verwendet, automatisch Massen- und Energiebilanzen zu definieren, wobei die Reaktionen homogen oder heterogen sein und im Festkörper oder auf Oberflächen stattfinden können.
Weitere Bilder:
Round Jet Burner: Simulation der turbulenten Verbrennung in einem Rundstrahlbrenner. Die Ergebnisse zeigen die Temperatur und den CO2-Massenanteil im reagierenden Strahl.
Biosensor-Durchflusszelle: Simulation einer Durchflusszelle, die Mikrosäulen enthält, die mit einem aktiven Material beschichtet sind, um die Adsorption eines Analyten zu unterstützen. Die Ergebnisse zeigen Stromlinien der Geschwindigkeit und die Konzentrationsverteilung der adsorbierten Spezies.
Röhrenreaktorsimulator: Dies ist eine App, die einen Röhrengasreaktor simuliert, chemische Reaktionen finden in einem Gasstrom statt, der die Reaktanden vom Einlass zum Auslass transportiert. Der Stoff- und Energietransport erfolgt durch Konvektions-Diffusions- und Konvektions-Wärmeleitprozesse.
Wasseraufbereitung durch Silberkomplexierung: Viele industrielle Prozesse hinterlassen Rückstände von toxisch gelösten Metallionen in Prozessströmen. Dieses Modellbeispiel zeigt einen Reinigungsreaktor, in dem Silberionen zur Entfernung zu Diamin-Silber komplexiert werden.
Röhrenreaktorsimulator: Dies ist eine App, die einen Röhrengasreaktor simuliert, chemische Reaktionen finden in einem Gasstrom statt, der die Reaktanden vom Einlass zum Auslass transportiert. Der Stoff- und Energietransport erfolgt durch Konvektions-Diffusions- und Konvektions-Wärmeleitprozesse.
Festbettreaktor: Dieses Modell berechnet die Konzentrationsverteilung des Reaktorgases, das um katalytische Pellets fließt, indem es auch eine zusätzliche Dimension verwendet, um die Konzentrationsverteilung in jedem der porösen katalytischen Pellets zu modellieren. Dargestellt sind die Geschwindigkeitsstromlinien im unteren Teil des Reaktors, wobei der Farbplot die Konzentration anzeigt.
Alle Transportphänomene
Zu dem Chemical Reaction Engineering Module gehören Werkzeuge zur Berechnung von thermodynamischen Eigenschaften einschließlich der Anbindung an externe Quellen, so dass Sie die Kopplung der Wärmetransport- und Enthalpiebilanzen mit dem Materialtransport und den chemischen Reaktionen verbessern können. Darüber hinaus gibt es Interfaces zur Beschreibung des Impulstransports, wodurch Sie eine vollständige Beschreibung der Transportphänomene Ihres Prozesses erlangen. Hierzu gehören laminare Strömungen und Strömungen in porösen Medien, die durch die Navier-Stokes-Gleichung, das Darcy-Gesetz und die Brinkman-Gleichungen beschrieben werden. Durch die Kopplung mit dem CFD Module oder dem Heat Transfer Module können Sie auch turbulente, mehrphasige und nicht isotherme Strömungen sowie Übertragungen von Wärmestrahlung simulieren.
Ein wesentlicher Bestandteil der Optimierung Ihrer chemischen Reaktionsprozesse
Das Chemical Reaction Engineering Module ist für Ingenieure und Wissenschaftler vorgesehen, die in der chemischen, Prozess-, Stromerzeugungs-, pharmazeutischen, Polymer- oder Lebensmittelindustrie arbeiten und in deren Prozessen der Materialtransport und chemische Reaktionen wesentliche Bestandteile sind. Das Modul umfasst Werkzeuge, mit denen alle Aspekte dieser Anwendungen untersucht werden können: von Reagenzglasuntersuchungen in einem Labor bis zu einer Revision eines chemischen Reaktors mitten in einer Betriebsanlage. Die chemische Reaktionskinetik kann unter kontrollierten Bedingungen simuliert werden, sodass sich die Kinetik, in Kombination mit dem Optimization Module, durch integrierte Funktionen für Parameterschätzung sowie Vergleiche mit experimentellen Daten genau beschreiben lässt. Darauf aufbauend stellt das Chemical Reaction Engineering Module eine Reihe von vordefinierten Reaktortypen für umfassende Untersuchungen bereit:
- diskontinuierliche Rührkessel (Batch- und Semibatch-Reaktoren)
- Kontinuierliche Rührkessel (CSTR)
- Rohrreaktoren
Alle diese Reaktoren werden mit geeigneten Definitionen für konstante Massen oder konstantes Volumen sowie mit isothermen, nicht isothermen und adiabatischen Bedingungen bereitgestellt. Diese einfachen Modelle, die perfekt für das Einbinden Ihrer optimierten Kinetik in eine Prozessumgebung geeignet sind, ermöglichen Ihnen ein verbessertes Verständnis Ihres Systems und versetzen Sie in die Lage, eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu simulieren. Mit all den Erkenntnissen, die Sie daraus gewonnen haben, können Sie im nächsten Schritt durch ein vollständiges achsensymmetrisches 2D- oder 3D-Modell den Entwurf Ihrer Anlage optimieren und eine Feinabstimmung der Betriebsbedingungen vornehmen. Mit der Funktion zum Generieren eines raumabhängigen Modells können Sie die Massen- und Energiebilanzen Ihres Systems zusammen mit den Fluidströmungen und Geschwindigkeiten der chemischen Reaktionen einbinden.
Chemical Reaction Engineering Module
Produkteigenschaften
- Ideale Reaktormodelle mit Erstellung von kinetischen Ausdrücken basierend auf chemischen Formeln
- Massentransport in verdünnten und konzentrierten Mischungen
- Materialtransport durch Diffusion, Konvektion und Migration
- Mehrkomponenten-Massentransport
- Fick’scher, Nernst-Planck, Maxwell-Stefan und mischungsgemittelter Transport
- Mehrkomponenten-Diffusivität im Hinblick auf Soret Effekt
- Diffusion in dünnen Schichten
- Diffusionsbarrieren
- Diffusionsbarrieren
- Speziestransport und Wärmetransport in porösen Medien
- Korrekturmodelle für die Massentransportparameter in porösen Medien
- Laminare Strömung und Strömung durch poröse Medien
- Hagen-Poiseuille Gleichung
- Navier-Stokes-Gleichungen, Darcy-Gesetz und Brinkman-Gleichungen
- Reaktive Strömung
- Oberflächendiffusion und Oberflächenreaktionen
- Adsorption, Absorption und Abscheidung von Spezies auf Oberflächen
- Mehrskalentransport und Reaktions-Features
- Uneingeschränkte Anzahl chemischer Spezies in beliebigen Definitionen der chemischen Reaktionskinetik in isothermen und nicht-isothermen Umgebung
- Arrhenius-Modell
- Adsorptionsisothermen, Absorption und Abscheidung von Spezies auf Oberflächen
- Freie und reaktive Strömung in porösen Medien
- Datenbank thermodynamischer Eigenschaften zur Berechnung physikalischer Eigenschaften in Flüssigkeiten
- Import von CHEMKIN®-Dateien für Kinetikdaten, thermodynamische und Transporteigenschaften
- Unterstützung von CAPE-OPEN-Schnittstelle für Thermodynamik
Anwendungsbereiche
- Batch-, Pfropfenstrom-/ Rohr- und Rührkesselreaktoren
- Design, Dimensionierung und Optimierung chemischer Reaktoren
- Mehrkomponenten- und Membrantransport
- Festbettreaktoren
- Adsorption, Absorption und Abscheidung von Spezies auf Oberflächen
- Biochemie und Lebensmittelwissenschaft
- Pharmazeutische Synthese
- Kunststoffe und Polymerherstellung
- Elektrochemische Verfahrenstechnik
- Chromatographie
- Osmose, Elektrophorese und Elektroosmose
- Filtration und Sedimentation
- Abgasnachbehandlung und Emissionskontrolle
- Fermentation und Kristallisationsvorrichtungen
- Zyclone, Separatoren, Wäscher und Auslaugungs-Geräte
- Elektrochemische Verfahrenstechnik
- Monolithische Reaktoren und Katalysatoren
- Selektive katalytische Reduktion (SCR) und SCR-Katalysatoren
- Wasserstoffreformer
- Halbleiterverarbeitung und chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
- Mikrofluidik und Lab-on-Chip-Vorrichtungen
Material Databases
| Datei Format | Dateiendung | Lesen | Schreiben |
|---|---|---|---|
| CHEMKIN®1 | .dat, .txt, .inp3 | Ja | Nein |
| CAPE-OPEN (direct connection)1 | n/a | N/A | N/A |
| LXCAT file2 | .lxcat,.txt | Ja | Nein |
1 Any file format is allowed, these are the most common extensions
2Requires the Plasma Module
3Any extension is allowed; These are the most common extensions
Simulating the Release Mechanism in Drug-Eluting Stents
T. Schauer, I. Guler Boston Scientific Corporation, MN, USA
Stent insertion through the coronary artery is a common procedure used to treat restricted blood flow to the heart caused by stenosis. Following the procedure, restenosis may occur due to excessive tissue growth around the stent. Researchers at Boston Scientific are using multiphysics simulation to better understand how drug-eluting stents ...
Modeling the Electrochemistry of Blood Glucose Test Strips
Stephen Mackintosh Lifescan Scotland UK
Lifescan Scotland is a medical device company that designs and manufactures blood glucose monitoring kits for the global diabetes market. These involve the self-monitoring of blood glucose levels through specialized monitoring systems and test strips that comprise of a plastic substrate, two carbon-based electrodes, a thin dry reagent layer, and ...
Transport in an Electrokinetic Valve
This application presents an example of pressure driven flow and electrophoresis in a 3D micro channel system. Researchers often use a device similar to the one in this model as an electrokinetic sample injector in biochips to obtain well-defined sample volumes of dissociated acids and salts and to transport these volumes. Focusing is obtained ...
Membrane Dialysis
Dialysis is a widely used chemical species separation method. One such example is hemodialysis, which acts as artificial kidneys for people with renal failure. In dialysis, only specific components are allowed to diffuse through the membrane, based on differences in molecular size and solubility. The Membrane Dialysis app simulates a process for ...
A Multiscale 3D Packed Bed Reactor
One of the most common reactors in the chemical industry, for use in heterogeneous catalytic processes, is the packed bed reactor. This type of reactor is used both in synthesis as well as in effluent treatment and catalytic combustion. This model is set up to calculate the concentration distribution in the reactor gas that flows around the ...
Analysis of NOx Reaction Kinetics
This suite of examples illustrate the modeling of selective NO reduction, that occurs as flue gases pass through the channels of a monolithic reactor in the exhaust system of a motored vehicle. The simulations are aimed at finding the optimal dosing of NH3, the reactant that serves as reducing agent in the process. Three different analyses are ...
Porous Reactor with Injection Needle
Modeling packed beds, monolithic reactors, and other catalytic heterogeneous reactors is substantially simplified with the Reacting Flow in Porous Media multiphysics interface. This defines the diffusion, convection, migration, and reaction of chemical species for porous media flow without having to set up separate interfaces and couple them. The ...
Biosensor Design
Surface reactions with adsorption-reaction-desorption steps are common in for example photocatalysis and biosensors. A flow cell in a biosensor contains an array of micropillars for adsorption of for example antigens in aqueous solutions. A signal proportional to the surface coverage can be detected in a sensor, for example through ...
Thermal Decomposition
In this tutorial, the heat and mass transport equations are coupled to laminar flow in order to model exothermic reactions in a parallel plate reactor. It exemplifies how you can use COMSOL Multiphysics to systematically set up and solve increasingly sophisticated models using predefined physics interfaces.
Dissociation in a Tubular Reactor
Tubular reactors are often used in continuous large-scale production, for example in the petroleum industry. One key design parameter is the conversion, or the amount of reactant that reacts to form the desired product. In order to achieve high conversion, process engineers optimize the reactor design: its length, width and heating system. An ...
Chemical Vapor Deposition of GaAs
Chemical vapor deposition (CVD) allows a thin film to be grown on a substrate through molecules and molecular fragments adsorbing and reacting on a surface. This example illustrates the modeling of such a CVD reactor where triethyl-gallium first decomposes, and the reaction products along with arsine (AsH3) adsorb and react on a substrate to form ...
Carbon Deposition in Heterogeneous Catalysis
Carbon deposition on the surface of solid catalysts is commonly observed in hydrocarbon processing. A known problem is that carbon deposits can impede the activity of catalysts as well as block the flow of gas through a catalyst bed. This example investigates the thermal decomposition of methane into hydrogen and solid carbon, over a catalyst. ...
Nächster Schritt:
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