Оценка кинетических параметров

На первом этапе построения модели любой системы необходимо сформулировать уравнения материального баланса. С помощью интерфейса Reaction Engineering уравнения баланса массы и энергии химических веществ можно сформировать автоматически, просто задав уравнения химических реакций. Если описать схему реакций, то уравнения кинетики, с помощью которых рассчитываются источники массы и теплоты в зависимости от концентрации компонентов, для каждой элементарной реакции будут сформированы автоматически на основе закона действующих масс. Кроме того, можно задать свои собственные аналитические выражения для расчёта скорости реакции как функции от концентрации веществ и температуры.

Уравнения материального баланса и кинетики реакций формируют систему обыкновенных дифференциальных уравнений. Для реакторов идеального смешения периодического действия решение этой автоматически сформированной системы уравнений позволяет получить данные об изменении состава реагирующей смеси в зависимости от времени.

Оценка параметров регрессионной модели

Для анализа химических реакций и механизмов их реализации обычно требуются оценки для факторов частоты, энергий активации и других параметров, с помощью которых можно описать результаты экспериментальных исследований. При совместном использовании модулей «Химические реакции» и «Оптимизация» доступен специальный интерфейс для оценки параметров кинетики химических реакций.

Стандартная процедура оценки неизвестных параметров регрессионной модели для некоторого конкретного механизма реализации химического процесса состоит из следующих этапов. Сначала выбирается модельный параметр, например константа скорости реакции, и для этого параметра задаются начальное приближение и масштабный коэффициент. Затем загружается файл с экспериментальными данными, и настраивается соответствие между столбцами данных в файле и переменными расчётной модели. Далее выполняется расчёт искомых параметров, результаты которого можно сравнить с данными экспериментальных измерений.

Перенос массы компонентов

Моделирование процессов переноса в химически реагирующих системах требует привлечения так называемых моделей многокомпонентных систем. В состав модуля «Химические реакции» входит интерфейс Transport of Concentrated Species, в котором реализованы комплексные модели переноса массы вещества в многокомпонентных системах. Можно остановиться на использовании формул Максвелла-Стефана, либо выбрать осреднённые модели конвективной диффузии. Для моделирования переноса массы в слабых растворах и смесях, в которых определяющую роль играет взаимодействие между растворёнными веществами и растворителем, можно использовать интерфейс Transport of Diluted Species. Реализована формулировка уравнений переноса массы в пористых средах, что позволяет учесть, например, эффект Кнудсена. Представлена также и модель запылённого газа. Уравнения сохранения массы компонентов и свойства переноса можно получить непосредственно из уравнений химических реакций при автоматическом создании распределённой модели на основе настроек интерфейса Reaction Engineering.

Теплопередача

Инструменты моделирования теплопередачи, представленные в модуле «Химические реакции», позволяют анализировать перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией, а также теплообмен излучением с окружающей средой. Для расчёта теплообмена излучением между поверхностями в прозрачных и полупрозрачных средах требуется модуль «Теплопередача». С помощью инструментов модуля «Химические реакции» можно проводить анализ тепловых процессов в твёрдых телах, жидкостях и пористых средах. Уравнения сохранения энергии, а также термодинамические свойства и свойства переноса можно получить непосредственно из уравнений химических реакций при автоматическом создании распределённой модели на основе настроек интерфейса Reaction Engineering.

Справчоник термодинамических свойств

В состав модуля «Химические реакции» включён термодинамический справочник, с помощью которого можно рассчитать свойства газовых смесей, жидких растворов, а также равновесных многофазных систем газ-жидкость (flash-расчёты), жидкость-жидкость и газ-жидкость-жидкость. В справочнике содержится множество термодинамических моделей для расчёта плотности, теплоёмкости, энтальпии образования вещества, теплового эффекта химических реакций, коэффициентов вязкости, теплопроводности, бинарной диффузии, а также активности и летучести. Подробно об этих функциях вы можете узнать из описания модуля «Термодинамика жидкостей и газов». Все эти функции включены в состав модуля «Химические реакции».

С помощью справочника термодинамических свойств можно определить так называемый «набор свойств» для конкретной химической системы, выбрав составляющие эту систему вещества, указав свойства, которые нужно рассчитать, и выбрав термодинамическую модель. При описании механизма реакций исходные вещества и продукты можно сопоставить с химическими веществами из набора свойств, созданного с помощью термодинамического справочника. Таким образом, термодинамические функции и уравнения из набора свойств будут автоматически связаны с соответствующими параметрами расчётной модели химически реагирующей системы.

Переход к распределённым моделям

После того как работающая модель системы идеального смешения построена, с её помощью можно автоматически сформировать систему уравнений для решения задачи о переносе массы в многокомпонентных системах, теплопередаче и гидродинамике в распределённых системах. Термодинамические свойства и коэффициенты переноса, рассчитанные с помощью интерфейса Reaction Engineering (например, теплоёмкость, теплопроводность, коэффициенты вязкости и бинарной диффузии), автоматически подставляются в соответствующие поля настройки интерфейсов, реализующих распределённые модели процессов переноса. Этот функционал позволяет уточнять и улучшать кинетические и термодинамические уравнения химических реакций, прежде чем перейти к двумерным, двумерным осесимметричным и трёхмерным постановкам.

Гидродинамика

Инструменты моделирования гидродинамики, представленные в модуле «Химические реакции», позволяют анализировать ламинарные течения и течения в пористых средах. При комбинации с инструментами модуля «Вычислительная гидродинамика» доступны готовые связки для моделирования массопереноса в турбулентных потоках. Уравнения гидродинамики, а также значения вязкости и плотности можно получить непосредственно из уравнений химических реакций при автоматическом создании распределённой модели на основе настроек интерфейса Reaction Engineering.

Электрокинетические эффекты

При моделировании переноса массы компонентов в слабых или концентрированных смесях можно учесть влияние электрических полей на перенос массы в электролитах. Специальные интерфейсы Nernst-Planck и Electrophoretic Transport предназначены для моделирования конвективной диффузии в электролитах. Их можно дополнить уравнением Пуассона или условием электронейтральности для расчёта электрического потенциала в электролите. Эти инструменты позволяют моделировать работу электрокинетических клапанов, а также процессы электроосмоса и электрофореза.