Обновления модуля Разработка химических реакций

Для пользователей программного пакета COMSOL Multiphysics® версии 5.3 в модуль Разработка химических реакций добавлены новые физические интерфейсы для моделирования реагирующего потока в пористых средах, переноса химических частиц в трещинах, разделения заряда при использовании уравнений Нернста — Планка и уравнения Пуассона, а также электрофоретический поток. Все обновления модуля Разработка химических реакций приведены ниже.

Новый интерфейс Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Моделирование уплотненных слоев, монолитных реакторов и других каталитических гетерогенных реакторов существенно упрощается благодаря новому мультифизическому интерфейсу Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористых средах). Он задает диффузию, конвекцию, миграцию и реакцию химических веществ для потока в пористой среде, не требуя устанавливать отдельные интерфейсы и связывать их. Мультифизический интерфейс автоматически объединяет все взаимные связи и физические интерфейсы, необходимые для моделирования гетерогенного катализа, а также потока в пористых средах и переноса растворенных или концентрированных химических веществ.

Поскольку этот мультифизический интерфейс дополняет аналогичный мультифизический интерфейс для ламинарного и турбулентного потока, у вас есть возможность переключать или определять новые взаимные связи для других типов моделей потока без необходимости переопределения и настройки нового интерфейса для задействованных физических явлений. В окне настроек можно выбрать тип моделируемого потока, а также перенос химических веществ без потери каких-либо определенных свойств материала или кинетики реакции. Это значит, что можно сравнивать различные структуры реактора или моделировать поток в свободной или пористой среде в одном реакторе даже при подключении двух режимов (см. изображение).

Модель микрореактора с пористыми слоями, созданная в интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Модель микрореактора с пористыми слоями, показывающая изоповерхности концентрации реагента, вводимого через вертикальную иглу в свободный поток, содержащий второй реагент, который затем проталкивается через область монолитной каталитической пористой среды реактора. Модель можно полностью задать в новом мультифизическом интерфейсе Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде).

Путь к файлу с примером использования нового интерфейса Reacting Flow in Porous Media (Реагирующий поток в пористой среде) в Библиотеке приложений :
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах)

Глубина трещин мала по сравнению с их длиной и шириной. Из-за большого различия значений глубины, длины и ширины сложно выполнить построение сетки для трещин, а значит, сложно моделировать перенос химических веществ в трещинах. Новый интерфейс Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещинах) рассматривает трещину как оболочку, где для построения поверхностной сетки используются только поперечные размеры трещины.

Интерфейс позволяет определить среднюю глубину трещины, а также пористость в тех случаях, когда трещина имеет пористую структуру. Для переноса химических веществ интерфейс позволяет определять модели эффективной диффузии для учета эффектов пористости. Конвективный перенос может быть связан с интерфейсом Thin-Film Flow (Тонкопленочный поток) или с пользовательскими уравнениями, определяющими поток жидкости в трещине. Кроме того, можно определить химические реакции в трещинах, на их поверхностях или в пористой среде, в которой содержится трещина.

Пример, иллюстрирующий перенос растворенных веществ вдоль незначительно изогнутой поверхности трещины. Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность состоит из углубленной извилистой траектории на поверхности, через которую происходит перенос химических веществ. Перенос растворенных веществ вдоль слабо изогнутой поверхности трещины. Изогнутая поверхность состоит из углубленной извилистой траектории на поверхности, через которую происходит перенос химических веществ.

Поверхности трещин в интерфейсе Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде)

При переносе в пористой трехмерной структуре, содержащей трещины, новое граничное условие Fracture (Трещина) позволяет моделировать перенос в тонких трещинах без необходимости построения для них сетки как для трехмерных объектов. Граничное условие Fracture (Трещина) включено в интерфейс Transport of Diluted Species in Porous Media (Перенос растворенных веществ в пористой среде) (см. изображение) и имеет настройки, аналогичные настройкам интерфейса Transport of Diluted Species in Fractures (Перенос растворенных веществ в трещине), который описан выше. Обеспечивается плавный переход между моделями потока жидкости и переноса химических веществ в трехмерной пористой среде и в трещине.

На изображении ниже показано поле концентрации в модели реактора с пористыми слоями. В модели для перекрученной трещины «просачивание» реагентов внутрь пористого катализатора (слева направо) происходит быстрее, чем перенос в пористой среде. Это происходит потому, что значение средней пористости для поверхности трещины значительно выше, чем для окружающего пористого катализатора, что приводит к более высокой скорости массообмена.

Модель поверхности трещины, созданная в COMSOL Multiphysics версии 5.3. Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3. Контурная диаграмма концентрации в трехмерном объеме реактора и поверхностная концентрация на поверхности трещины. Ускоренный массообмен в трещине способствует улучшению проникновения непрореагировавших молекул внутрь каталитического слоя (справа налево) Видно, что концентрация практически одинакова по всей поверхности трещины и изменяется от 0,63 до 0,62 моль/м3.

Обновленные функциональные возможности для термодинамики для баз данных, совместимых со стандартом CAPE-OPEN

После упрощения пользовательского интерфейса для определения термодинамических функций и комплекса свойств из баз данных, совместимых со стандартом CAPE-OPEN, стало проще связывать модуль Разработка химических реакций с внешними базами данных.

Новый интерфейс Nernst-Planck-Poisson Equations (Уравнения Нернста — Планка — Пуассона)

Перенос ионов в электролитах, на которые действуют электрические поля, обусловлен диффузией, миграцией и конвекцией, которые описываются уравнениями Нернста — Планка. В тех случаях, когда электрическое поле велико, в электролите можно локально наблюдать разделение заряда (отклонение от электронейтральности), например, вблизи металлических или керамических поверхностей. Разделение заряда можно моделировать уравнениями Нернста — Планка в сочетании с уравнением Пуассона для сохранения заряда. В последней версии модуля Разработка химических реакций содержится новый интерфейс Nernst-Planck-Poisson Equations (Уравнения Нернста — Планка — Пуассона) для моделирования таких типов систем.

Новый интерфейс Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос)

Новый интерфейс Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос) может использоваться для исследования переноса слабых кислот, оснований и амфолитов в водных растворах. Физический интерфейс обычно используется для моделирования различных режимов электрофореза, таких как зонный электрофорез, изотахофорез, изоэлектрическая фокусировка и электрофорез с подвижными границами, но он применим к любой водной системе, включающей множественные кислотно-щелочные состояния равновесия.

 
Два четко разделенных пика на графике, иллюстрирующем разделение смеси двух белков при зонном электрофорезе.

Новая учебная модель: зонный электрофорез

Модель служит для предоставления вводной информации об интерфейсе Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос). Задача зонного электрофореза рассматривается в контексте разделения образца, содержащего анилин и пиридин.

Путь в Библиотеке приложений к учебной модели Zone Electrophoresis (Зонный электрофорез):
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/zone_electrophoresis

Обновленная учебная модель: изоэлектрическая сепарация

В этом примере интерфейсы Electrophoretic Transport (Электрофоретический перенос) и Laminar Flow (Ламинарный поток) применяются для моделирования изоэлектрического разделения в устройстве электрофореза свободного потока. Поток, содержащий четыре разных белка, разделяется на концентрированные потоки посредством миграционного переноса в электрическом поле.


Путь к обновленной учебной модели Isoelectric Separation (Изоэлектрическая сепарация) в Библиотеке приложений:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/isoelectric_separation