Bulk Chemicals
Simulate space-dependent continuous stirred mixers and tank reactors for high flow rates.
Chemical Reaction Engineering Module
Comprendere e ottimizzare processi e progetti chimici
I modelli matematici aiutano gli scienziati, gli sviluppatori e gli ingegneri a comprendere processi, fenomeni e progetti dei sistemi di reazione. Il Chemical Reaction Engineering Module, un prodotto aggiuntivo della piattaforma software COMSOL Multiphysics®, offre interfacce utente per creare, ispezionare e modificare equazioni chimiche, espressioni cinetiche, funzioni termodinamiche ed equazioni di trasporto. Dopo aver sviluppato un modello convalidato, lo si può utilizzare per studiare diverse condizioni operative, progetti di sistemi di reazione e fenomeni di trasporto. Risolvere le equazioni del modello più volte per diversi input consente di raggiungere una reale comprensione del sistema studiato. Inoltre, il Chemical Reaction Engineering Module, insieme ad altri strumenti di COMSOL Multiphysics®, fornisce metodi matematici e numerici all'avanguardia adattati per l'ottimizzazione e la stima dei parametri dei sistemi chimici.
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Cosa puoi modellare con il Chemical Reaction Engineering Module
Simula i fenomeni di trasporto e le reazioni chimiche in molti processi industriali con il software COMSOL®.
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.
Panoramica della strategia di modellazione e del flusso di lavoro
Descrizioni realistiche dei sistemi di reazione negli studi scientifici e ingegneristici spesso richiedono di incorporare sia fenomeni di trasporto che reazioni chimiche per comprendere e ottimizzare un processo o un progetto. Il Chemical Reaction Engineering Module è studiato su misura per il tipico flusso di lavoro degli studi di chimica e ingegneria chimica, che coinvolgono i seguenti passi incrementali:
- Studiare i meccanismi di reazione in sistemi ideali e perfettamente mescolati
- Calcolare le proprietà cinetiche, termodinamiche e di trasporto
- Estendere le indagini a sistemi dipendenti dallo spazio
- Trasporto di specie chimiche
- Trasferimento di calore
- Campo di velocità
- Effetti elettrocinetici
Il flusso di lavoro descritto sopra può essere applicato in molti campi diversi che coinvolgono reazioni chimiche e in tutte le scale, dalla nanotecnologia e dai microreattori fino agli studi ambientali e geochimici. L'intero processo, dalla definizione del modello alla presentazione dei risultati, è documentato nel software per trasparenza e riproducibilità.
Caratteristiche e funzionalità del Chemical Reaction Engineering Module
Il Chemical Reaction Engineering Module fornisce un flusso di lavoro integrato per la simulazione di sistemi perfettamente miscelati in 0D seguiti da fenomeni di trasporto in 2D e 3D.
Definizione della cinetica di reazione
Il primo passo nella modellazione di qualsiasi sistema è stabilire i bilanci di materia. Usando l'interfaccia Reaction Engineering, potete inserire equazioni chimiche e ottenere automaticamente le equazioni di bilancio di massa per le specie chimiche e le equazioni di bilancio energetico per il sistema. Quando inserirte il meccanismo di reazione, le espressioni cinetiche in funzione delle concentrazioni delle specie sono derivate automaticamente dalla legge di azione di massa per i passaggi elementari. Potete anche digitare le vostre espressioni analitiche per la velocità di reazione in funzione delle concentrazioni di specie e della temperatura.
I bilanci di materia e le espressioni cinetiche di reazione risultano in equazioni differenziali ordinarie formulate automaticamente dal software. Per un reattore batch perfettamente miscelato, la soluzione delle equazioni dà la composizione della miscela che reagisce nel tempo.
Generazione di modelli dipendenti dallo spazio
Una volta che si dispone di un modello funzionante per un sistema perfettamente miscelato, è possibile utilizzare questo modello per definire automaticamente bilanci di massa, energia e quantità di moto per sistemi dipendenti dallo spazio. Le proprietà di trasporto calcolate nell'interfaccia Reaction Engineering (per esempio, capacità termica, conduibilità termica, viscosità e diffusività binaria) si trasferiscono automaticamente alle interfacce fisiche per trasporto delle specie chimiche, trasferimento di calore e il fluidodinamica. Questa funzionalità consente di raffinare e perfezionare le espressioni di cinetica e termodinamica delle reazioni chimiche prima di passare a modelli 2D, 2D assialsimmetrici e 3D.
Trasporto di specie chimiche
La modellazione dei fenomeni di trasporto nei sistemi di reazione comporta la descrizione delle specie chimiche nei cosiddetti modelli di trasporto multicomponente. Il Chemical Reaction Engineering Module contiene modelli sofisticati per il trasporto multicomponente nell'interfaccia Transport of Concentrated Species, dove potete scegliere tra la formulazione Maxwell-Stefan e i modelli mediati da miscela per il trasporto multicomponente. Per le soluzioni diluite, potete anche scegliere l'interfaccia Transport of Diluted Species, che tratta i casi in cui le interazioni nella soluzione sono dominate dalle interazioni soluto-solvente. L'interfaccia Dispersed Two-Phase Flow with Species Transport può essere utilizzata per descrivere il trasferimento di specie chimiche tra due fasi fluide immiscibili. Le equazioni di trasporto delle specie chimiche sono disponibili anche per i mezzi porosi, per esempio, per includere la diffusione di Knudsen. È incluso anche il modello di diffusione dei gas polverosi. La formulazione del modello di bilancio di massa così come le proprietà di trasporto possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche quando si genera un modello dipendente dallo spazio dall'interfaccia Reaction Engineering.
Effetti elettrocinetici
Quando si modella il trasporto di specie diluite o concentrate, è possibile includere campi elettrici come forze motrici per il trasporto per la modellazione di elettroliti e ioni. Le interfacce Nernst-Planck e Electrophoretic Transport sono dedicate alla modellazione degli elettroliti e possono includere le formulazioni dell'equazione di Poisson o la condizione di elettroneutralità per l'equilibrio di carica nell'elettrolita. Le applicazioni di questa funzionalità includono valvole elettrocinetiche, flusso elettroosmotico ed elettroforesi.
Database delle proprietà termodinamiche
Il Chemical Reaction Engineering Module contiene un database di proprietà termodinamiche, che è possibile utilizzare per calcolare le proprietà di miscele di gas, miscele di liquidi, sistemi gas–liquido all'equilibrio (calcoli flash), sistemi liquido–liquido, e sistemi gas–liquido–liquido all'equilibrio. Diversi modelli termodinamici possono essere usati per calcolare densità, capacità termica, entalpia di formazione, entalpia di reazione, viscosità, conducibità termica, diffusività binaria, attività e fugacità. Scopri di più su questa funzionalità nella pagina Liquid & Gas Properties Module: è tutto incluso anche nel Chemical Reaction Engineering Module.
Il database delle proprietà termodinamiche può essere usato per creare un cosiddetto pacchetto di proprietà per uno specifico sistema di reazione selezionando le specie chimiche presenti nel sistema, le proprietà desiderate e il modello termodinamico. Quando si definiscono i meccanismi di reazione, i reagenti e i prodotti possono essere abbinati alle specie chimiche nel pacchetto di proprietà definito dal database delle proprietà termodinamiche. Questa corrispondenza collega automaticamente le funzioni e le equazioni generate dal pacchetto di proprietà al modello del sistema di reazione.
Stima di parametri
Gli studi delle reazioni chimiche e dei meccanismi di reazione di solito si basano sulla stima di fattori di frequenza, energie di attivazione e altri parametri che possono descrivere quantitativamente le osservazioni sperimentali. Il Chemical Reaction Engineering Module può essere combinato con l'Optimization Module per accedere a un'interfaccia dedicata alla cinetica chimica.
Il tipico flusso di lavoro per la stima dei parametri del modello per un certo meccanismo di reazione assunto è il seguente. Prima si seleziona il parametro del modello da stimare, come le costanti di reazione, e si inseriscono i valori iniziali e le scale per i parametri. Poi, è possibile collegarsi al file che contiene i dati sperimentali, facendo corrispondere le colonne dei dati con le variabili del modello. Una volta eseguita la stima dei parametri, è possibile confrontare i risultati del modello e le misure sperimentali in fase di post-processing.
Fluidodinamica
La funzionalità di fluidodinamica inclusa nel Chemical Reaction Engineering Module può gestire flussi laminari e in mezzi porosi. Inoltre, quando combinato con il CFD Module, sono disponibili accoppiamenti pronti per la modellazione del trasferimento di specie chimiche nel flusso turbolento. La formulazione del modello di fluidodinamica, così come la viscosità e la densità, possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche quando si genera un modello dipendente dallo spazio nell'interfaccia Reaction Engineering.
Scambio termico
La funzionalità di trasferimento del calore inclusa nel Chemical Reaction Engineering Module può tenere conto del trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Il termine di irraggiamento è dato dalla radiazione superficie-ambiente, mentre l'Heat Transfer Module è richiesto per la radiazione superficie-superficie e la radiazione nei mezzi partecipanti. Le capacità di trasferimento del calore nel Chemical Reaction Engineering Module includono il trasferimento di calore nei fluidi, nei solidi e nei mezzi porosi. La formulazione del modello di trasferimento di calore, così come le proprietà termodinamiche e di trasporto, possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche quando si genera un modello dipendente dallo spazio nell'interfaccia Reaction Engineering.
Reazioni superficiali e catalisi eterogenea
Le reazioni superficiali sono tipiche della catalisi eterogenea e dei processi di deposizione superficiale come la deposizione chimica di vapore. Si trovano nell'industria chimica massiva, per esempio, nel processo Haber-Bosch per la produzione di ammoniaca e nei microsensori per il rilevamento di quantità molto basse di traccianti che possono adsorbire sulle superfici ed essere rilevati, tra le altre cose, da un cambiamento delle proprietà elettriche.
Nei modelli di trasporto-reazione, le reazioni superficiali possono essere trattate come equazioni al contorno accoppiate alle condizioni al contorno per le equazioni di trasporto e reazione nel bulk. Questo sarebbe tipico per i modelli al di sotto o fino alla scala microscopica. In alternativa, nei mezzi porosi, queste reazioni sono trattate in modo simile alle reazioni omogenee, ma includono l'area superficiale specifica (area per unità di volume del materiale poroso) e le proprietà di trasporto efficaci. Questo sarebbe tipico per i modelli sia in scala microscopica che in scala macroscopica, ovvero i cosiddetti modelli multiscala.
Il Chemical Reaction Engineering Module include formulazioni pronte per la catalisi eterogenea per entrambi i casi: reazioni superficiali su facce esterne e reazioni superficiali distribuite su un catalizzatore poroso omogeneizzato. Per i catalizzatori porosi, i modelli multiscala sono predefiniti per descrivere strutture di pori bimodali. Tali strutture possono consistere in pellet microporosi imballati per formare un letto di pellet macroporoso.
Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.
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