Разработка химических реакций и электрохимических процессов

Зачем разрабатывать химические реакции и электрохимические процессы?

Химические и электрохимические процессы можно изучать, моделировать и разрабатывать на разных уровнях. Часто разработка начинается на этапе анализа кинетики химических процессов, когда определяются ее первичные критерии. При этом в ходе разработки общего процесса важно убедиться, что реакторы и окружающие их элементы работают согласованно, так что оптимизация их взаимодействия выходит на первый план. На этой демонстрационной странице показано, как моделировать множество самых разных явлений, включая кинетику химических реакций, теплопередачу, массообмен и поток в текучей среде, для проектирования реакторов, перерабатывающих установок и систем, решающих химические и электрохимические задачи.

Видео: Интеллектуальное моделирование улучшает разработку процессов

 

Разработка реакций

С помощью моделирования можно изучать, прогнозировать и оптимизировать широкий круг процессов и явлений, связанных с проектированием химических реакций. Модели учитывают перенос образцов химических веществ, теплопередачу, поток в текучей среде и химические реакции. Перенос вещества и химические реакции характерны для ламинарных и турбулентных потоков, потоков в пористых средах, а также для однофазных и многофазных смесей. Реакции могут быть как гомогенными, так и гетерогенными — такие реакции наблюдаются на поверхностях катализаторов. При настройке модели можно легко задать тип химической кинетики: обратимые, необратимые или равновесные реакции. Все это в сочетании с моделированием потоков в текучей среде, теплопередачи и переноса образцов химических веществ в системе позволяет глубже понимать происходящие процессы и эффективнее проектировать реакторы.

Избранная учебная модель:

Снижение концентрации оксидов азота в монолитном реакторе

Оптимальное количество аммиака для снижения концентрации оксидов азота в отработанных газах, выходящих через выхлопную систему, определяется с помощью различных моделей. Первичный анализ химического состава и теплопередачи выполняется в нульмерном пространстве, после чего создается трехмерная модель монолитного реактора, описывающая массообмен, теплопередачу и поток в текучей среде.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная учебная модель:

Разработка биодатчика

Посмотрите, как в потоке текучей среды совмещаются поверхностные реакции и массообмен для моделирования проточной ячейки биодатчика, содержащей массив микростолбиков. На стенки столбиков нанесено покрытие из активного материала, адсорбирующего исследуемые образцы в тестовом потоке. С помощью дополнительного приложения можно также вносить изменения в конструкцию датчика и изучать их влияние на результаты.

Читать документацию к учебной модели (англ.)
 

Избранное видео:

Пористый реактор с инжекционной иглой

Погрузитесь в анализ физических явлений, относящихся к моделированию гетерогенного катализа, в том числе потока в свободной текучей среде, потока в пористой среде и массообмена. Два образца быстро смешиваются и вводятся в слой катализатора, где из них формируется третий образец. Результаты моделирования включают в себя концентрации трех образцов в стационарном состоянии, а также скорость реакции вдоль поперечного сечения слоя.


Подробнее о химических реакциях и реакторах::

Смешивание и разделение

Эффективность конструкции и работы реактора во многом зависит от того, насколько эффективно в нем смешиваются и затем разделяются образцы химических веществ. Для этого необходимо точно задавать физические свойства как самих образцов, так и потока, который их переносит. Важно учитывать массообмен в разбавленных и концентрированных растворах и смесях посредством конвекции, диффузии и миграции ионов в ламинарных и турбулентных однофазных и многофазных потоках. Кроме того, моделирование размера и расположения мешалок и перегородок в смесительных и статических реакторах позволяет улучшить конструкцию реактора, а понимание принципов работы мембран, фильтров и экранов помогает создавать эффективные сепараторы.

Избранная учебная модель:

Удаление примесей во вторичном отстойнике

Изучите сложный турбулентный многофазный поток во вторичном отстойнике.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная учебная модель:

Траектории частиц ламинарного потока в статическом миксере

Посмотрите, как ведет себя поток в статическом миксере с закругленными лопастями. В этой модели вычисляется траектория взвешенных частиц в миксере для оценки его эффективности.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная история успеха:

Моделирование ламинарного потока в статических миксерах

Veryst Engineering LLC/Nordson EFD
(2012)

Читать всю историю успеха (англ.)

Теплопередача

Контроль нагрева и охлаждения играет огромную роль при решении химических и электрохимических задач. Здесь важно учитывать множество процессов: от расчета термодинамических и кинетических характеристик образцов химических веществ и их реакций до настройки балансов энтальпий и моделирования потока жидкости, передающего тепло посредством конвекции. Все эти аспекты нужно рассматривать совместно, так как тепловая энергия влияет на множество физических процессов, включая кинетику реакций, а также на свойства и потоки текучих сред.

Избранная учебная модель:

Тепловое разрушение

Эта модель связывает поток текучей среды со свойствами теплопередачи и массообмена, вычисляя скорость (A), температуру (B) и концентрацию (C) экзотермической реакции в реакторе с параллельными пластинами.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная история успеха:

Моделирование помогает повышать безопасность продукции Teflon®

BAM – Федеральный институт Германии по исследованию и испытанию материалов
(2011)

Читать всю историю успеха (англ.)
 

Избранное видео:

Учебная модель: Кожухотрубный теплообменник

В этом учебном видео показано, как моделировать неизотермический поток в COMSOL Multiphysics на примере кожухотрубного теплообменника. Результаты моделирования включают в себя температурные профили и линии движения двух потоков – воздушного и водяного – после достижения стационарного состояния.


Аккумуляторы и топливные элементы

Оптимизация удельных энергий и КПД в сочетании с продлением срока службы – основные задачи при разработке аккумуляторов и топливных элементов. На эти требования влияет множество факторов, в том числе процессы переноса вещества в свободных и пористых средах и через мембраны, кинетика электрохимических реакций, теплопередача и механика конструкций. Чтобы учесть все физические эффекты в конструкции аккумуляторов и топливных элементов, необходимо применять различные подходы, которые основаны на одних и тех же электрохимических принципах, но адаптированы к специфике различных устройств: свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов, а также твердооксидных топливных элементов (SOFC) и топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC).

Избранная учебная модель:

Анализ массообмена в высокотемпературном топливном элементе с твердоэлектролитной мембраной (PEM)

Изучите явления массообмена и переноса импульса, а также свойства электрохимических токов в различных частях топливного элемента с твердоэлектролитной мембраной.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная история успеха:

Highly Accurate Li-ion Battery Simulation

French Atomic and Alternative Energy Commission (CEA)
(2013)

Читать всю историю успеха (англ.)

Избранная аналитическая статья:

Моделирование литий-воздушного аккумулятора

(2012)

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная учебная модель:

Импеданс литий-ионного аккумулятора

В этой учебной модели исследуется импеданс литий-ионного аккумулятора и выполняется оптимизация результатов с учетом экспериментальных данных, из которых можно получить значения четырех контрольных переменных. С помощью приложения можно легко задать характеристики элемента и ввести экспериментальные данные, чтобы запустить оценку параметров.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Подробнее об аккумуляторах и топливных элементах::

Коррозия и коррозионная защита

Коррозия – это электрохимический процесс, который при отсутствии профилактики губительно влияет на механические конструкции. С помощью моделирования можно лучше понять фундаментальные механизмы и долгосрочные последствия гальванической, точечной и контактной коррозии, а также определить коррозионный потенциал и распределение плотности тока по уравнениям Тафеля или Батлера – Волмера. Кроме того, моделирование помогает проектировать и испытывать защитные системы: в том числе катодную защиту наведенным током (ICCP) и протекторные аноды.

Избранная учебная модель:

Коррозионная защита нефтяной платформы

Для определения потенциала электролита на анодах и в структуре стали моделируется распределение первичного тока в системе коррозийной защиты, состоящей из алюминиевых протекторных анодов.

Читать документацию к учебной модели (Англ.)

Избранная история успеха:

Стратегия коррозионной защиты на основе моделирования

Военно-морская исследовательская лаборатория (NRL)
(2014)

Читать всю историю успеха (англ.)

Избранная история успеха:

Подводные лодки: защита от коррозии или поиск противника?

Университет Дуйсбург–Эссен
(2012)

Читать всю историю успеха (англ.)

Подробнее о гальванической и электрохимической коррозии::

Проектирование ванн для электроосаждения

Одним из важнейших аспектов электроосаждения является получение равномерного слоя осаждаемого материала. Для любой задачи, будь то разработка электроники, защита от износа и коррозии или нанесение декоративных покрытий, равномерное распределение плотности тока на поверхности катода остается одним из важнейших требований. Все это нужно учесть в конструкции гальванического элемента и электрода. С помощью моделирования можно изучить влияние геометрии элемента и электрода, кинетики электрода, массообмена и свойств электролита на распределение плотности тока. Аналогичным образом моделируется электрохимическое рафинирование и электровосстановление, а также электроформовка, травление и электрообработка

Рекомендованная учебная модель:

Электроосаждение катушки индуктивности

На изолирующей маске из фоторезиста, над которым расположен диффузионный слой, с помощью медной катушки выдавливается трафарет для электроосаждения. Результаты моделирования с применением подвижной сетки и исследования зависимости от времени включают в себя концентрацию меди в электролите (вверху), плотность тока и изменение толщины электрода.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Рекомендованная учебная модель:

Осаждение меди в канавке

Для моделирования электроосаждения меди на печатных платах проводится исследование третичного распределения тока с использованием подвижной сетки. Зависимая от времени модель демонстрирует сужение устья канавки из-за неравномерного осаждения меди.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Подробнее о разработке ванн для электроосаждения можно прочитать по ссылке::

Задачи промышленной и аналитической электрохимии

Самые востребованные электрохимические задачи для моделирования – это электролиз, электродиализ, электроанализ, электрохимические датчики и биоэлектрохимия. Различные типы анализа применяются для определения плотности обменного тока, коэффициентов переноса заряда, определенных областей активной поверхности, коэффициентов диффузии и механизмов реакции. Типы анализа включают в себя циклическую вольтамперометрию, амперометрию, потенциометрию, электрохимический импеданс и кулонометрию.

Рекомендованная учебная модель:

Электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС)

ЭИС, которая моделируется в интерфейсе Electroanalysis (Электроанализ), изучает свойства кинетики и переноса в электрохимической системе, внося малые вибрационные колебания в напряжение гальванического элемента.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Рекомендованная учебная модель:

Гальванический элемент с электродом из проволочной сетки

В этой модели выполняются исследования распределения первичной, вторичной и третичной плотности тока в гальваническом элементе. При решении электрохимических задач удобно моделировать этапы исследования последовательно: от простого к сложному, как показано в этом примере.

Читать документацию к учебной модели (англ.)

Избранная история успеха:

Моделирование электрохимических свойств глюкозы крови на индикаторных полосках

Lifescan Scotland
(2013)

Читать всю историю успеха (англ.)

Подробнее о задачах промышленной и аналитической электрохимии::

С чего начать разработку химических реакций и электрохимических процессов

Моделирование химических и электрохимических задач незаменимо при разработке и оптимизации устройств и систем.

ПО COMSOL Multiphysics с набором модулей, предназначенных для таких задач, образуют мощную и удобную программную среду, которая позволяет решать даже самые нестандартные проблемы.

Испытайте ее в деле на наших мини-курсах по COMSOL и получите бесплатную пробную версию.

COMSOL LLC стремится защищать конфиденциальность своих клиентов и посетителей веб сайта. Подробную информацию о нашей политике конфиденциальности можно прочесть по этой ссылке

Спасибо! Представитель COMSOL скоро свяжется с вами.