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 расчёта химических систем.

Связаться с COMSOL
Модель пластинчатого реактора, на которой распределение концентрации химических компонентнов показано в виде изоповерхностей с использованием цветовой палитры Viridis.

Область применения модуля «Химические реакции»

Моделируйте конвекцию, диффузию и химические реакции в различных промышленных процессах с помощью COMSOL®.

На графике показано изменение концентрации в двух реакторах во времени.

Реакторы идеального смешения

Модели идеализированных систем, в том числе реакторы периодического, полупериодического и непрерывного действия, реакторы идеального вытеснения и трубчатые реакторы.

Модель бака для ферментации пива, в которой распределение концентрации уксусного альдегида показано с использованием цветовой палитры Rainbow.

Пищевые технологии

Анализ и проектирование процессов и аппаратов пищевой промышленности.

Модель монолитного нейтрализатора, на которой показаны распределения коэффициента конверсии с использованием цветовой палитры Rainbow, и температуры с использованием цветовой палитры Heat Camera.

Нефтехимия и автопромышленность

Модели каталитических нейтрализаторов и фильтров в системах выпуска отработавших газов.

Увеличенное изображение графика температуры и поля течения в модели охлаждения блока цилиндров двигателя.

Термодинамика

Анализ зависимости свойств смесей от состава, давления и температуры.

Увеличенное изображение модели адсорбции протеина, на котором показано распределение концентрации.

Смешение и сепарация

Модели процессов смешения и сепарирования в тонких химических технологиях.

Увеличенное изображение распределения концентрации раствора в модели реактора с пористым катализатором.

Экология и защита окружающей среды

Анализ процессов в системах очистки сточных вод от загрязняющих компонентов на основе моделирования массопереноса и адсорбции, например, в пористых слоях и засыпках.

Увеличенное изображение поля течения и поля концентрации в капиллярном диализаторе.

Медицинские технологии

Проверка выполнения проектных требований, предъявляемых к различным компонентам медицинского оборудования, например, диалитическим мембранам.

Увеличенное изображение поля концентрации в модели доставки лекарства.

Фармацевтика

Оптимизация процессов и аппаратов химической и биофармацевтической промышленности.

Увеличенное изображение модели химического осаждения UHV/CVD.

Химическое осаждение

Модель развития слоя на подложке вследствие адсорбции и химического осаждения, например, при производстве полупроводниковых пластин.

Увеличенное изображение электрокинетического клапана.

Электрокинетические эффекты

Модели электрофоретического разделения и массопереноса в колоннах и других микрогидродинамических системах.

Стратегия 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 на основе моделей реакторов идеального смешения
  • Расчёт кинетических и термодинамических свойств и коэффициентов переноса
  • Переход к распределённым моделям
    • Перенос массы компонентов смеси
    • Теплопередача
    • Гидродинамика
    • Электрокинетические эффекты

Описанная процедура моделирования применима для решения широкого спектра задач, связанных с химическими реакциями, на любых пространственных масштабах: от нанотехнологий и микрореакторов до экологических исследований и геохимии. При этом в программе документируется весь процесс создания расчётной модели от постановки задачи до визуализации результатов, что позволяет обеспечить прозрачность и воспроизводимость результатов.

Функциональные возможности модуля «Химические реакции»

Модуль «Химические реакции» предлагает специализированные функции и удобный рабочий процесс для моделирования систем идеального смешения с сосредоточенными параметрами с последующим переходом к анализу процессов переноса в 2D и 3D.

Увеличенное изображение модели монолитного реактора, на котором показано дерево модели с выделенным узлом Reaction Engineering и результаты моделирования.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано дерево модели с выделенным узлом Experiment и результаты моделирования расщепления ДНК в графическом окне.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано дерево модели с выделенным узлом Transport of Concentrated Species и модель многоструйной полимеризации в графическом окне.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано дерево модели с выделенным узлом Heat Transfer in Fluids и величина скорости охлаждающей жидкости двигателя.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано окно настройки термодинамической системы и одномерная фазовая диаграмма.

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.

Графическая оболочка среды COMSOL Multiphysics, в которой отображается дерево модели и выделенный в нём узел Generate Space-Dependent Model, а также соответствующее окно настройки и графическое окно, где построено поле концентрации в реакторе с использованием цветовой палитры AuroraBorealis.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано дерево модели с выделенным узлом Transport of Diluted Species и модель пористого реактора в графическом окне.

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.

Увеличенное изображение, на котором показано окно настройки узла Transport Properties и поле концентрации в электрокинетическом клапане.

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.

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 с помощью уравнений на поверхности, связанных с граничными условиями для уравнений переноса и с уравнениями химических реакций в объёме системы. Такой подход обычно используется для моделирования на микроскопических масштабах. Альтернативным подходом является метод гомогенизации, используемый 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.

Модуль «Химические реакции» содержит готовые инструменты для моделирования гетерогенного катализа обоими методами: поверхностные реакции на гранях, либо поверхностные реакции, распределенные по объёму гомогенизированного пористого катализатора. Для пористых катализаторов встроена многоуровневая модель, описывающая структуры с бимодальным распределением пор по размерам. Такие системы могут содержать микропористые слои, из которых формируются макропористые засыпки.

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 свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты