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使用化学反应工程模块模型质量和能量平衡

理解和优化化学过程和设计

数学模型可帮助科学家,开发人员和工程师了解反应系统的过程,现象和设计。化学反应工程模块,comsol多物理学的附加组件®软件平台,提供了用于创建,检查和编辑模型方程,动力学表达式,功能和变量的用户界面。在开发了经过验证的模型之后,它可以用于不同的操作条件和研究,从而导致对假设和结果之间关系的直观理解,从而导致了新的想法。一遍又一遍地求解模型方程式,导致对所研究系统的真实理解。此外,化学反应工程模块以及comsol多物理学中的其他工具®,考虑到优化开发,提供了适合化学系统的最新数学和数值方法。

您可以使用化学反应工程模块进行建模

扩展comsol多物理时®具有化学反应工程模块的平台,除了Comsol的核心功能外,您还可以使用建模运输现象和化学反应的功能®软件。

化学反应工程模块包括:

  • 建模化学动力学研究中的详细反应机制
    • 基本步骤
    • 激活能
    • 频率因素
    • 化学成分
    • 压力
    • 温度
  • 建模理想系统
    • 批处理反应堆
    • 半匹配反应堆
    • 连续搅拌坦克反应堆
    • 管状反应堆
    • 插头流动反应堆
  • 计算热力学和传输特性:
    • 气体
    • 气体液体系统(闪光计算)
    • 液体液体系统
    • 气液液体系统
  • 建模和模拟工业流程
    • 传感器中的分析方法
    • 汽车应用程序
    • 化学气相沉积
    • 环境科学
    • 食品加工
    • 散装化学工业的无机合成
    • 医疗技术
    • 石化工业
    • 药物过程

多物理耦合

  • 在浓缩混合物和稀溶液中模型转运现象与:
    • 传播热量
    • 层流和湍流
    • 多相流
    • 多孔媒体流
一个单片转换器模型,其转换在彩虹颜色表中显示,并在热摄像机颜色表中显示的温度分布。 在汽车应用中,用于降低NOX的单片转换器中的转换和温度分布。
Cividis颜色表中显示的具有流场流线和浓度的层流静态混合器模型。 流场的流线和层流中的浓度。
批处理反应器模型的一维图显示了组成作为不同化学物种的时间的函数。 组成随时间的函数,在完美混合的批处理反应器中。液体混合物是布洛芬反应堆的典型特征。

概述建模策略和工作流程

科学和工程研究中反应系统的现实描述通常需要纳入运输现象和化学反应,以了解和优化过程或设计。化学反应工程模块是针对化学和化学工程研究的典型工作流程量身定制的,该研究涉及以下增量步骤:

  • 研究理想的完美混合系统,以识别反应机制和估计动力学参数,例如频率因素和激活能。
  • 计算热力学和运输特性。
  • 将研究扩展到空间依赖性系统,其中可能存在温度和成分的空间变化。这意味着必须将化学物种,传热和流体流的运输与化学反应一起考虑。
  • 与CFD模块结合使用多孔介质或湍流中的有效传输特性进行建模和估算。

上述工作流程可以应用于涉及化学反应和各种规模的许多不同领域,从纳米技术和微反应器到环境研究和地球化学。

该模块允许工程师,科学家和设计师快速有效地定义模型,求解模型方程,执行参数分析并评估模拟研究的结果。此外,从模型定义到结果的表示,整个过程都记录在软件中的透明度和可重复性中。

一个流程图通过从独立于空间的模型开始,并以空间依赖性的传输现象扩展,以表明如何建模复杂的反应机制。 复杂反应机制的一种可能的建模方法是从独立于空间的模型开始,并将其扩展到包括运输现象。依赖空间的模型显示了通常用于批处理过程的搅拌罐反应器,例如在食品和制药行业中。

研究完美混合系统中的化学反应机制

进行化学反应工程过程模拟的第一步是研究完美混合系统中的反应机制。这反应工程界面是在继续运输现象之前研究这些系统的主要工具。

建模任何系统的第一步是建立材料平衡。在comsol多物理学中®,您可以输入化学方程式,并自动获得系统中化学物种的材料平衡方程以及系统的能量平衡方程。当您键入反应机制时,动力学表达与物种浓度的函数自动从基本步骤的大众作用定律中得出。您也可以以自己的分析表达方式以与物种浓度和温度的关系输入反应速率。

材料平衡和反应动力学表达式提供了由软件自动配制的普通微分方程。对于完美混合的批处理反应器,方程的溶液随时间给出了反应混合物的组成。

化学反应工程模块还包含一个热力学性能数据库,您可以使用该数据库计算气体混合物,液体混合物,均衡(闪光计算),液体液体系统和气液系统的气体混合物,气体液体系统和气体液体系统的特性。平衡。有多种热力学模型可用于计算密度,热容量,形成的焓,反应焓,粘度,导热率,二进制扩散率,活性和散性。

可用以下热力学模型:

气体混合物

  • 理想的气体
  • 彭 - 罗宾森
  • 彭 - 罗宾森(TWU)
  • Soave -Redlich -kwong
  • Soave -Redlich -kwong(graboski – aubert)

液体混合物

  • Chao – Seader(Grayson – Stred)
  • 威尔逊
  • nrtl
  • Unifaq vle
  • 独立
  • 常规解决方案
  • 扩展的常规解决方案
  • 理想的解决方案

热力学性质数据库可用于通过选择系统中存在的化学物种,所需性能和热力学模型来创建特定反应系统的所谓属性包。该属性包定义了在反应系统模型中使用的函数和方程。请注意,属性软件包定义了可用于完全混合和空间的系统的函数。这反应工程化学接口允许将功能和方程式自动链接到完全混合系统和空间依赖系统的模型。

当一个反应工程要么化学界面是用反应机制和一组反应物和产品定义的,这些反应物和产物可以与热力学性质数据库定义的属性包中的化学物种相匹配。乐动体育app无法登录这种匹配会自动将属性软件包生成的函数和方程式链接到反应系统的模型。

对于完美混合的系统,结合了反应工程接口和属性包使您可以定义和求解描述材料和能量平衡的完全耦合方程。结果是随着时间的时间,一组给定的初始条件和操作条件,反应系统的温度和组成。

热力学性质数据库还可以用于计算不涉及化学反应的系统中流体的热容量,密度,导热率和粘度。混合物的特性高度依赖于温度和成分。请注意,此处描述的所有功能构成液体和气体特性模块,其中包含在化学反应工程模块中。

一个四缸发动机冷却系统模型,其温度和流动分布在热摄像头颜色桌上显示。 四缸发动机冷却系统中的温度和流量分布。该溶液由水和糖组成。

化学反应和反应机制的研究通常依赖于频率因素,激活能和其他可能描述实验观察结果的参数估计。化学反应工程模块可以与优化模块结合使用,以访问用于化学动力学的专用界面。

估计某个假定反应机制模型参数的典型工作流量如下。您首先选择要估计的模型参数,例如速率常数,然后输入参数的初始值和尺度。然后,您可以链接到包含实验数据的文件,将数据列与模型变量匹配。运行参数估计后,您可以比较模型结果和后处理中的实验测量。

将实验数据与参数估计研究进行比较的蛋白质降解模型的1D图。 与参数估计获得的模拟结果相比,实验数据。这个具体示例研究了生物技术应用中蛋白质降解的动力学。

一旦拥有完美混合系统的工作模型,您就可以使用此模型自动定义直接从空间依赖系统的材料,能量和动量平衡。反应工程界面。此功能使您可以在2D,2D轴对称和3D中定义问题,用于多组分传输,传热和流体流量。在反应工程界面(例如,热容量,导热率,粘度和二进制扩散率)随后自动提供在依赖空间的传输界面中。

一个3D模型,显示了使用白色到蓝色颜色梯度在曲折的微反应器中氢化脱卤的。 无空间的模型(0D)可用于自动定义化学物种传输,传热和流体流动方程,并从化学方程式和热力学特性中定义化学物种的传输,流体流动方程。

与空间有关的模型

多组分传输

模块中用于材料,能量和动量平衡的配方的结构和命名法,与反应动力学相连,取自教科书运输现象由Bird,Stewart和Lightfoot作者。这使得用户界面熟悉行业和学术机构的化学工程师。

反应系统中传输现象的建模涉及所谓的多组分传输模型中化学物种的描述。化学反应工程模块包含用于多组分传输的复杂模型集中物种的运输界面,您可以在Maxwell-Stefan公式和用于多组分传输的混合物平均模型之间进行选择。对于稀释解决方案,您也可以选择稀释物种的运输界面处理溶液中的相互作用以溶质 - 溶剂相互作用为主的情况。

电动效应

这俩集中物种的运输稀释物种的运输接口可以包括电场作为用于运输电解质和离子的驱动力。这恩斯特·普朗克电泳运输接口专用于电解质的建模,可以包括泊松方程的配方或电解质中电荷平衡的电压条件。该功能的应用包括电动阀,电流流和电泳。

化学物种传输方程也可用于多孔培养基,例如,包括诺森扩散。软件中还包括灰尘气体扩散模型。质量平衡模型的配方以及运输特性可以直接从化学方程中获得生成依赖空间的模型功能反应工程界面。

流体流

化学反应工程模块中的流体流量接口可以处理层流和多孔介质流。此外,当与CFD模块结合使用时,该模块具有现成的耦合,用于湍流中化学物种转移的建模。流体流量模型的配方以及粘度和密度可以直接从化学方程中获得生成依赖空间的模型功能反应工程界面。

传播热量

化学反应工程模块中包含的传热界面可以通过传导,对流和辐射来解释传热。辐射项是由表面到接头辐射给出的,而传热模块则需要在参与培养基中的地表到表面辐射和辐射。化学反应工程模块中的传热能力包括流体,固体和多孔介质中的传热。传热模型的配方以及热力学和传输性能可以直接从化学方程中获得生成依赖空间的模型功能反应工程界面。

表面反应和异质催化

表面反应是异质催化以及表面沉积过程(例如化学蒸气沉积)的典型特征。它们是在散装化学工业中发现的,例如,在Haber -bosch生产氨和微型传感器的过程中发现它们,用于检测可能吸附在表面上的非常低量的示踪剂,例如,例如,更改。在电气性能中。

在运输反应模型中,可以通过两种不同的方式处理表面反应:

  • 随着边界方程与整体中传输和反应方程的边界条件耦合。这对于以下模型或最高到微观量表是典型的。
  • 作为多孔培养基中的反应,它们以与均匀反应相似的方式处理,但包括特定的表面积(每单位体积的多孔材料面积)和有效的运输特性。对于微观量表和宏观量表,所谓的多尺度模型,这都是典型的。

反应工程化学界面还可以处理与空间无关的机械研究模型中的表面物种和表面反应,并自动将动力学导出到边界表达式中,如上面的第一个选项,或作为多孔介质中的均质反应,如上所述。

管状反应器模型显示了彩虹颜色表中的氢分布。 在多孔介质和多组分传输和反应中以流量模型的管状反应器中的氢分布。
电动阀模型显示溶质分离,流向水平方向和垂直通道中的电场。 电动阀中的溶质分离。流动发生在水平方向上,而电场则在垂直通道中施加。垂直流动物中的带电离子在垂直通道中向下迁移。
一个多喷气反应堆模型,显示了反应物在湍流中的浓度分布,因为等值面是从白色到深蓝色的。 反应流中反应流中反应器中反应器中反应器中的浓度分布。在这种情况下,所需的反应是在例如尼龙制造中使用的凝结聚合反应。冷凝聚合物具有可生物降解的优势。
一个流程图显示了表面反应模型的多个尺度,包括异质颗粒反应,均匀的多孔颗粒和具有双孔隙率的均质床。 可以将表面反应模拟与详细几何形状(左上角)中的整体中的运输和反应相结合,作为均匀的多孔粒子(右上角),作为具有双孔隙率的均质床(右下)。

为精简过程仿真构建模拟应用程序

您可以使用应用程序构建器在任何现有模型的顶部构建用户界面,其中包含在comsol Multiphysics中®。此工具使您可以使用明确定义的输入和输出来创建应用程序。申请可用于许多不同的目的:

  • 可以通过录制GUI操作来自动化困难和重复的任务,该任务可以链接到单个命令,这可能是复杂的参数化序列,在没有错误的情况下可能难以复制
  • 根据特定的例程创建和更新大量参数化模拟的报告,以授予最佳的可重复性和质量
  • 为特定模型提供用户友好的接口,以允许在建模和仿真中进行无XPERT,从而受益于加速的理解和优化功能
  • 增加组织内对模型的访问,以最大程度地提高模拟驱动的开发和设计的投资回报率
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每个业务和每个模拟都需要不同。

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