Chemical Reaction Engineering Module

Modellierung von Stoff- und Energiebilanzen mit dem Chemical Reaction Engineering Module

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

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A Multiscale 3D Packed Bed Reactor

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Porous Reactor with Injection Needle

Biosensor Design

Thermal Decomposition

Dissociation in a Tubular Reactor

Chemical Vapor Deposition of GaAs

Carbon Deposition in Heterogeneous Catalysis

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