Семейство продуктов COMSOL®

Моделируйте тепло- и массообмен с помощью модуля «Химические реакции»

Анализ и оптимизация химических процессов и систем

Учёные, исследователи и инженеры используют математические модели для анализа процессов и аппаратов химической технологии. Модуль «Химические реакции» расширяет возможности платформы COMSOL Multiphysics® и позволяет пользователям формулировать, анализировать и редактировать уравнения химических реакций, а также уравнения, функции и переменные, описывающие кинетику реакций. Корректную и верифицированную модель затем можно использовать в различных исследованиях, которые позволят лучше понять взаимосвязи между гипотезами и результатами и сформулировать новые направления развития технологии. Решение уравнений модели для большого массива разных входных данных позволит приблизиться к глубокому пониманию процессов, происходящих в исследуемой системе. Кроме того, модуль «Химические реакции», как и прочие инструменты COMSOL Multiphysics®, разрабатывается с упором на эффективность и предлагает пользователям передовые математические и численные методы, адаптированные для расчета химических систем.

Область применения модуля «Химические реакции»

Дополнив платформу COMSOL Multiphysics® возможностями модуля «Химические реакции», в дополнение к базовому функционалу среды COMSOL® вы получите доступ к инструментам моделирования процессов переноса и химических реакций.

Инструменты модуля «Химические реакции» позволяют решать следующие задачи:

  • Детальный анализ механизмов и кинетики реакций
    • Элементарные реакции
    • Энергия активации
    • Частота прохождения
    • Химический состав
    • Давление
    • Температура
  • Моделирование идеальных систем
    • Реакторы периодического действия
    • Реакторы полупериодического действия
    • Реакторы непрерывного перемешивания
    • Трубчатые реакторы
    • Реакторы идеального вытеснения
  • Расчёт термодинамических свойств и коэффициентов переноса веществ
    • Газы
    • Газожидкостные системы (флэш-расчеты)
    • Двухжидкостные системы
    • Системы газ-жидкость-жидкость
  • Моделирование промышленных процессов
    • Аналитические методы для датчиков и сенсоров
    • Задачи автомобильной промышленности
    • Химическое осаждение из паровой фазы
    • Экология и науки об окружающей среде
    • Пищевая промышленность
    • Синтез неорганических соединений
    • Медицинские технологии
    • Нефтехимическая промышленность
    • Фармацевтика

Мультифизические связи

  • Сопряженный анализ переноса массы в многокомпонентных смесях и растворах:
    • С учётом теплообмена
    • При ламинарном и турбулентном режимах течения
    • В многофазных потоках
    • В пористых средах
Модель каталитического нейтрализатора отработавших газов: для визуализации распределения коэффициента преобразования используется цветовая палитра Rainbow, а для визуализации распределения температуры — палитра Heat Camera. Распределение температуры и коэффициента преобразования в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов выхлопной системы автомобиля, в котором происходит восстановление оксидов азота.
Результаты моделирования ламинарного статического смесителя показаны с помощью линий тока и цветных графиков, построенных с помощью палитры Cividis. Линии тока и поле концентрации в ламинарном статическом смесителе.
Одномерный график, отображающий изменение во времени концентрации химических компонентов в реакторе периодического действия. Зависимость состава смеси от времени в реакторе идеального смешения периодического действия. Моделируется жидкий раствор, который обычно образуется при производстве ибупрофена.

Краткий обзор технологии моделирования

Для достоверного описания химически реагирующих систем в научных и инженерных расчётах необходимо моделировать как процессы переноса, так и химические реакции. Только в этом случае можно провести подробный анализ и оптимизацию химических процессов и аппаратов. Модуль «Химические реакции» обеспечивает привычную процедуру решения задач из области химии и химической технологии, которая состоит из следующих этапов:

  • Анализ механизмов реакции и оценка параметров кинетики реакций, например коэффициента прохождения и энергии активации, на основе упрощенных моделей реакторов идеального смешения
  • Расчёт термодинамических свойств и коэффициентов переноса
  • Переход к распределенным моделям, в которых учитываются пространственные распределения температуры и состава химически реагирующей смеси. В таких моделях наряду с химическими реакциями учитывается перенос массы компонентов смеси, энергии и импульса
  • Моделирование и оценка эффективных коэффициентов переноса в пористых средах или в турбулентных потоках с использованием модуля «Вычислительная гидродинамика»

Описанная процедура моделирования применима для решения широкого спектра задач, связанных с химическими реакциями, и на любых пространственных масштабах: от нанотехнологий и микрореакторов до экологических исследований и геохимии.

С помощью модуля «Химические реакции» инженеры, ученые и конструкторы могут быстро и эффективно создавать расчётные модели, решать модельные уравнения, проводить оценку параметров и анализировать результаты моделирования. При этом в программе документируется весь процесс создания расчётной модели от постановки задачи до визуализации результатов, что позволяет обеспечить прозрачность и воспроизводимость результатов.

Схема моделирования комплексных механизмов химических реакций: начните с сосредоточенной модели, а затем переходите к пространственно-неоднородным моделям, учитывающим процессы переноса. Один из возможных вариантов моделирования комплексных механизмов химических реакций заключается в использовании в качестве стартовой точки моделей с сосредоточенными параметрами с последующим переходом к пространственно-неоднородным моделям. Показана распределённая модель химического реактора с мешалкой. Этот тип реакторов обычно используется в периодических процессах, например, в пищевой и фармацевтической отраслях.

Анализ механизма химических реакций в системах идеального смешения

Первым этапом моделирования процессов химической технологии является изучение и анализ механизмов реакций в системах идеального смешения. Физический интерфейс для анализа реакций на основе моделей с сосредоточенными параметрами Reaction Engineering — это основной инструмент для исследования подобных систем. После предварительного анализа можно будет перейти к моделированию процессов переноса.

На первом этапе построения модели любой системы необходимо сформулировать уравнения материального баланса. В COMSOL Multiphysics® 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.

 

В состав модуля «Химические реакции» включён справочник термодинамических свойств, который может быть полезен для расчёта свойств 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.

Доступны следующие термодинамические модели:

Газовые смеси

  • Идеального газа
  • Пенга-Робинсона
  • Пенга-Робинсона (с модификацией Тву)
  • Соаве-Редлиха-Квонга
  • Соаве-Редлиха-Квонга (с модификацией Граборски-Дауберта)

Жидкие растворы

  • Чао-Сидера (с модификацией Грейсона-Стрида)
  • Уилсона
  • NRTL
  • UNIFAC VLE
  • UNIQUAC
  • Модель регулярного раствора
  • Расширенная модель регулярного раствора
  • Модель идеального раствора

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. В этот набор будут включены функции и уравнения для расчёта термодинамических свойств химически реагирующей системы. Отметим, что набор свойств задаёт функции, которые можно использовать как для систем идеального смешения, так и для пространственно-неоднородных систем. Интерфейсы моделирования химических реакций Reaction Engineering и Chemistry позволяют автоматически связать функции и уравнения с моделями систем идеального смешения и пространственно-неоднородных систем, соответственно.

В настройках интерфейсов Reaction Engineering или Chemistry пользователь описывает механизм реакций и указывает участвующие в реакциях исходные вещества и продукты. Затем каждый реагент можно сопоставить с одним химическим веществом 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.

С помощью комбинации интерфейса Reaction Engineering и набора свойств можно формировать и решать системы уравнений, которые описывают баланс массы и энергии в химически реагирующей системе. Результатом расчёта будут изменяющиеся во времени значения температуры и концентраций реагентов при заданных рабочих параметрах и начальных условиях.

С помощью справочника термодинамических свойств можно также рассчитать значения теплоёмкости, плотности, коэффициентов теплопроводности и вязкости в многокомпонентных системах без химических реакций. Свойства смесей, как правило, сильно зависят от температуры и состава. Обратите внимание, что весь описанный в этом разделе функционал реализован в модуле «Термодинамика жидкостей и газов», который целиком входит в состав модуля «Химические реакции».

Модель системы охлаждения блока цилиндров ДВС, с помощью которой рассчитаны распределение температуры и поле течения теплоносителя. Для визуализации используется цветовая палитра Heat Camera. Поле температуры и линии тока в системе охлаждения блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. В качестве теплоносителя используется водный раствор гликоля.

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. По 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.

Одномерный график, на котором сопоставлены результаты регрессионного анализа параметров модели разложения белка и экспериментальные данные. Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования, полученных с помощью метода оценки неизвестных параметров регрессионной модели по выборочным данным. В данном примере рассчитывались параметры модели кинетики разложения белка.

После того, как работающая модель системы идеального смешения построена, с её помощью можно автоматически сформировать непосредственно из интерфейса Reaction Engineering уравнения баланса массы, импульса и энергии для пространственно-неоднородных систем. Этот функционал позволяет формулировать задачи о переносе массы в многокомпонентных системах, теплопередаче и гидродинамике в двумерной, двумерной осесимметричной и трехмерной постановках. При этом 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 распределенные модели процессов переноса.

Трёхмерная модель галогенирования углеводорода в извилистом микрореакторе. Для визуализации результатов используется бело-синий цветовой градиент. С помощью сосредоточенной модели (0D) можно автоматически сформировать систему уравнений конвективной диффузии, теплопередачи и гидродинамики на основе уравнений химических реакций и данных о термодинамических свойствах.

Распределённые модели

Перенос в многокомпонентных системах

Используемые в рамках модуля терминология и структура математических формулировок законов сохранения массы, импульса и энергии, как и уравнений кинетики химических реакций, соответствуют материалам учебника Transport Phenomena авторов Бёрда, Стюарта и Лайтфута. Благодаря этому пользовательский интерфейс будет знаком инженерам-химикам, работающим как на промышленных предприятиях, так и в учебных и научных учреждениях.

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.

Электрокинетические эффекты

В обоих интерфейсах конвективной диффузии Transport of Concentrated Species и Transport of Diluted Species можно учесть воздействие электрических полей на перенос массы ионов при моделировании процессов в электролитах. Интерфейсы, реализующие уравнение Нернста-Планка Nernst-Planck и модель электрофоретического переноса Electrophoretic Transport, предназначены для расчёта распределения плотности заряда в электролитах на основе решения дополнительного уравнения Пуассона, либо исходя из допущения об электронейтральности. К области применения этих интерфейсов относится моделирование электрокинетических клапанов, электроосмотических течений и электрофореза.

Уравнения переноса массы химических компонентов можно использовать применительно и к пористым средам, например, чтобы учесть кнудсеновскую диффузию. Кроме того, в состав модуля входит диффузионная модель запылённого газа. Уравнения сохранения массы, а также данные о коэффициентах переноса можно получить непосредственно из уравнений химических реакций, заданных в настройках интерфейса Reaction Engineering, с помощью функции автоматического создания пространственно-неоднородной модели Generate Space-Dependent Model.

Гидродинамика

Гидродинамические интерфейсы модуля «Химические реакции» позволяют моделировать ламинарные течения и течения в пористых средах. Также в модуле имеются специальные мультифизические связки, позволяющие рассчитывать перенос массы химических веществ в турбулентных потоках при подключении модуля «Вычислительная гидродинамика». Уравнения гидродинамической модели, а также значения вязкости и плотности среды можно получить непосредственно из уравнений химических реакций, заданных в настройках интерфейса Reaction Engineering, с помощью функции автоматического создания пространственно-неоднородной модели Generate Space-Dependent Model.

Теплопередача

Интерфейсы теплопередачи модуля «Химические реакции» позволяют моделировать перенос теплоты за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Инструменты модуля позволяют учесть излучение в окружающую среду, тогда как для расчета теплообмена излучением в вакууме и переноса излучения в недиатермических средах потребуется модуль «Теплопередача». Инструменты модуля «Химические реакции» позволяют моделировать процессы теплообмена в жидкостях, твердых телах и в пористых средах. Модельные уравнения теплопередачи, а также значения термодинамических свойств и коэффициентов переноса можно получить непосредственно из уравнений химических реакций, заданных в настройках интерфейса Reaction Engineering, с помощью функции автоматического создания пространственно-неоднородной модели Generate Space-Dependent Model.

Поверхностные реакции и гетерогенный катализ

Обычно поверхностные реакции необходимо учитывать при анализе гетерогенного катализа или процессов поверхностного осаждения, например химического осаждения из паровой фазы. Кроме того, поверхностные реакции характерны для процессов химической промышленности, например для процесса Габера–Боша, используемого для получения аммиака. Ещё одним примером реализации поверхностных реакций является адсорбция индикаторных веществ на поверхности микросенсоров. Изменение электрических свойств поверхности сенсора за счет адсорбированных индикаторов позволяет обнаруживать даже очень низкие значения концентрации индикаторного вещества.

Описать поверхностные реакции при моделировании химических процессов можно двумя способами:

  • С помощью уравнений на поверхности, связанных с граничными условиями для уравнений переноса и с уравнения химических реакций в объёме системы. Такой подход обычно используется для моделирования на микроскопических масштабах.
  • С помощью метода гомогенизации, используемого для моделирования реакций в пористых средах. В рамках этого подхода гетерогенные реакции описываются как гомогенные, но при этом в модель вводятся удельная поверхность (площадь поверхности, заключенной в единице объёма пористого материала) и эффективные коэффициенты переноса. Этот подход применяется как на микро-, так и на макроскопических масштабах, а также при многоуровневом моделировании.

С помощью интерфейсов Reaction Engineering и Chemical можно описать поверхностные реакции и учесть свойства адсорбированных на поверхности веществ в распределённых моделях. Уравнения кинетики реакций можно автоматически преобразовать либо в уравнения на поверхности, чтобы реализовать первый способ описания гетерогенных реакций, либо в гомогенизированные уравнения реакций в пористой среде для реализации второго способа.

Модель трубчатого реактора для расчёта концентрации водорода. Для визуализации результатов используется цветовая палитра Rainbow. Распределение концентрации водорода в трубчатом реакторе, рассчитанное с использованием моделей пористой среды, химических реакций и переноса массы в многокомпонентных средах.
Модель электрокинетического клапана, в котором происходит разделение компонентов раствора, движущегося по горизонтальному каналу при наличии электрического поля в вертикальном канале. Разделение компонентов раствора в электрокинетическом клапане. Раствор движется по горизонтальному каналу, а к вертикальному каналу приложено электрическое поле, под действием которого ионы начинают двигаться вниз по текущему вверх в вертикальном канале электролиту.
Модель многоструйного реактора, в которой показано распределение концентрации реагента при турбулентном течении. Для визуализации используются изоповерхности, цвет которых изменяется от белого до тёмно-синего. Распределение концентрации реагента при турбулентном течении в многоструйном реакторе показано в виде изоповерхностей. Полезной в данном случае является реакция конденсационной полимеризации, используемая, например, при производстве нейлона. Преимущество конденсационных полимеров заключается в том, что они поддаются биологическому разложению.
Схема, поясняющая варианты моделирования поверхностных реакций на разных масштабах: гетерогенные реакции на поверхности частиц, приближение гомогенных пористых частиц и приближение гомогенизированных слоёв с неоднородной пористостью. Поверхностные реакции с учётом процессов переноса и химических реакций в объёме можно смоделировать с помощью подробной геометрической модели (показано в верхнем левом углу), с помощью приближения гомогенных пористых частиц (см. в верхнем правом углу) или приближение гомогенизированного слоя с неоднородной пористостью (см. в нижнем правом углу).

Приложения для более эффективного моделирования химических процессов

С помощью среды разработки приложений, входящей в состав платформы COMSOL Multiphysics®, можно создавать пользовательские интерфейсы для любых расчётных моделей. Этот инструмент позволяет разрабатывать специализированные приложения, даёт возможность ограничивать набор входных данных и управлять выводом результатов расчёта. Приложения можно использовать в самых разных целях:

  • Для автоматизации сложных и повторяющихся действий, которые можно записать в виде последовательности операций, выполненных в графическом интерфейсе, и скомпоновать в одну команду
  • Для создания и обновления отчётов на основе большого числа параметризованных моделей и специальных процедур, обеспечивающих наилучшие воспроизводимость и качество
  • Для создания удобных интерфейсов к конкретным моделям, которые помогут специалистам, не имеющим опыта численного моделирования
  • Для повышения доступности моделей в организации и максимального увеличения доходности вложений в разработку
  • Для повышения конкурентоспособности путем предложения специально адаптированной продукции, основанной на высокоточных моделях, встроенных в удобные приложения, которые вы предоставляете клиентам

Чтобы предоставить доступ к разработанным в COMSOL Multiphysics® приложениям вашим коллегам и клиентам, воспользуйтесь продуктами COMSOL Compiler™ или COMSOL Server™.

Пользовательский интерфейс приложения, разработанного с помощью COMSOL Multiphysics®. Показаны разделы «Описание», «Входные данные», «Результаты» и «Информация для моделирования», а также графическое окно, в котором отображается распределение мольной доли веществ во время конверсии этилена в этанол. Приложение для моделирования, которое позволяет пользователю рассчитать равновесный состав при конверсии этилена в этанол в газовой фазе и провести анализ влияния рабочих параметров и начальных условий на выход этанола.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свою контактную информацию, комментарии или вопросы и отправьте нам эту заявку. В течение одного рабочего дня вы получите ответ.

Следующий шаг:
Запрос
информации
о программе