Chemical Reaction Engineering Module
Chemical Reaction Engineering Module
Model Mass and Energy Balances with the Chemical Reaction Engineering Module
Modello di un reattore chimico: le sostanze chimiche reagenti sono introdotte attraverso due ingressi nel reattore.
Perfetto per tutte le attività nei settori della chimica e dei processi
Ottimizzare reattori chimici, impianti di filtrazione, miscelatori e altri processi è più semplice grazie al Chemical Reaction Engineering Module. Questo modulo contiene tutti gli strumenti per simulare il trasporto di massa e il trasferimento termico unitamente alla cinetica chimica in ogni tipo di ambiente - flusso di gas, liquidi, mezzi porosi, sulle superfici e all'interno di fasi solide - o loro combinazioni. Per questo è lo strumento ideale per tutti i tipi di applicazioni nei settori della chimica e dei processi industriali, ma anche nell'ingegneria per l'ambiente, dove "unità di processo" o "reattore chimico" può essere considerato l'ambiente circostante.
Convezione e diffusione con cinetica chimica arbitraria
Il Chemical Reaction Engineering Module offre interfacce utente intuitive per definire il trasporto di massa in miscele o soluzioni diluite e concentrate per convezione, diffusione e migrazione ionica di un arbitrario numero di specie chimiche. Queste possono essere collegate facilmente alle definizioni della cinetica di una reazione reversibile, irreversibile o di equilibrio descrivibili dall'equazione di Arrhenius o da qualsiasi legge sulla velocità di reazione. Nei rate di reazione è possibile includere gli effetti della concentrazione e della temperatura. L'interfaccia per definire le reazioni chimiche è intuitiva e consente di inserire le formule chimiche e le equazioni sostanzialmente come si farebbe con carta e penna. COMSOL imposta le espressioni di reazione appropriate applicando la legge di azione di massa, che si può modificare specificando espressioni cinetiche proprie. La stechiometria nelle formule di reazione viene utilizzata per definire automaticamente i bilanci di massa ed energia, siano essi omogenei o eterogenei, che si verificano nel fluido circostante o sulle superfici.
Altre immagini:
Round Jet Burner: Simulazione di una combustione turbolenta in un bruciatore circolare. I risultati mostrano il campo delle temperature e la mass fraction della CO2.
Biosensor Flow Cell: simulazione di una flow cell contenente micropillar rivestiti con un materiale attivo per supportare l'assorbimento di un analita.
I risultati mostrano le streamline e la distribuzione della concentrazione della specie assorbita.
Tubular Reactor Simulator: questa app simula un reattore a gas tubolare. Le reazioni hanno luogo in una corrente di gas che trasporta i reagenti dall'inlet all'outlet. Il trasporto di massa e di energia avviene in modo convettivo-diffusivo.
Water Purification by Silver Complexation: molti processi industriali producono residui tossici di metalli ionici durante il processo. Questo modello-esempio mostra un reattore per la purificazione dove ioni d'argento sono complessati in forma di diamine per la rimozione.
Tubular Reactor Simulator: This is an app that simulates a tubular gas reactor, chemical reactions take place in a stream of gas that carries reactants from the inlet to the outlet. Mass and energy transport occur through a convection-diffusion and convection-conduction processes.
Multiscale 3D Packed Bed Reactor: un nuovo modello che illustra la nuova interfaccia Reactive Pellet Bed.
Fenomeni di trasporto completi
Il Chemical Reaction Engineering Module offre gli strumenti per calcolare le proprietà termodinamiche, eventualmente importando dati da sorgenti esterne, al fine di rendere il più completo possibile l'accoppiamento del trasporto di calore e dei bilanci entalpici al trasporto di massa e alle reazioni chimiche. Sono inoltre disponibili interfacce utente per definire il trasporto della quantità di moto per la descrizione dei fenomeni di trasporto del processo. Ciò include interfacce per flusso laminare e in mezzi porosi tramite soluzione dalle equazioni di Navier-Stokes, dalla legge di Darcy e dalle equazioni di Brinkman. Abbinando il CFD Module o l'Heat Transfer Module alla modellazione, si potranno anche incorporare il flusso turbolento, il flusso multifase e il flusso non isotermo, così come la trasmissione del calore per irraggiamento.
Parte integrante nell'ottimizzazione dei processi di reazione chimica
Il Chemical Reaction Engineering Module è utile a ingegneri e scienziati nei settori chimico, dei processi, energia elettrica, farmaceutico, polimeri e alimentare dove il trasporto di massa e la reazione chimica sono parte integrante del processo in studio. Esso offre gli strumenti per studiare tutti gli aspetti di queste applicazioni: dagli studi in provetta di un laboratorio, alla revisione di un reattore chimico in uno stabilimento. La cinetica chimica può essere simulata intrinsecamente in ambienti controllati, per descriverla con precisione utilizzando le funzionalità incorporate per la stima dei parametri e il loro confronto con i dati sperimentali. Partendo da questa base, il Chemical Reaction Engineering Module propone diversi tipi di reattori, predefiniti per studi più complessi:
- Reattori batch (perfettamente miscelati) e semibatch
- Reattori a serbatoio agitato in continuo (CSTR)
- Reattori con flusso a pistone (PFR)
Tutti questi sono forniti delle definizioni appropriate di masse o volumi costanti, così come delle condizioni isoterme, non isoterme o adiabatiche. Ideali per incorporare la cinetica ottimizzata in un ambiente di processo, questi modelli semplici offrono una comprensione più approfondita del sistema e consentono di simulare diverse condizioni operative. Alla luce delle conoscenze acquisite, la fase successiva sarà quella di ottimizzare il progetto del sistema e affinare le condizioni operative mediante un modello 2D assialsimmetrico o un modello 3D. La funzionalità per la generazione di modello dipendente dallo spazio consente di incorporare completamente i bilanci di massa ed energia del sistema, al flusso ed alla velocità di reazione chimica.
Chemical Reaction Engineering Module
Caratteristiche del Prodotto
- Modelli automatici di reattori ideali con generazione di leggi cinetiche basate su formule chimiche
- Trasporto di massa in miscele concentrate e diluite
- Trasporto di massa per diffusione, convezione e migrazione ionica
- Trasporto di massa di sistemi multicomponente
- Modelli per il trasporto alla Fick, Maxwell-Stefan, e Mixture-averaged
- Effetto Soret per sistemi multicomponente
- Diffusione in thin layers
- Barriere diffusive
- Trasporto di specie e scambio termico in mezzi porosi
- Porosity correction models per parametri di trasporto di massa
- Flussi laminari e flussi in mezzi porosi
- Equazione di Hagen-Poiseuille
- Equazioni di Navier-Stokes, Darcy e Brinkman
- Flussi reagenti
- Diffusioni e reazioni superficiali
- Assorbimento, desorbimento e deposizione superficiale di specie
- Trasporto su multiscala e features di reazione
- Numero di specie chimiche illimitato, cinetica chimica arbitraria in ambiente isotermo e non
- Modello di Arrhenius
- Assorbimento isotermo, assorbimento e deposizione superficiale di specie
- Flussi reattivi in ambiente libero ed in mezzi porosi
- Database di proprietà termodinamiche per calcolare le proprietà fisiche nei fluidi
- Importazione di file CHEMKIN® per proprietà cinetiche, termodinamiche e di trasporto
- Supporto per database termodinamici in formato CAPE-OPEN
Campi di Utilizzo
- Reattori di tipo batch, plug-flow/tubolari e tank
- Design di reattori, dimensionamento ed ottimizzazione
- Sistemi multicomponente e trasporto in membrane
- Packed bed reactors
- Adsorbimento, assorbimento e deposizione superficiale
- Biochimica e food science
- Sintesi farmaceutica
- Manifattura di plastiche e di polimeri
- Ingegneria elettrochimica
- Cromatografia
- Osmosi, elettroforesi ed elettro-osmosi
- Filtraggio e sedimentazione
- Post-trattamento e controllo emissioni
- Dispositivi di fermentazione e di cristallizzazione
- Cicloni, separatori e scrubber
- Pre-bruciatori e motori a combustione interna
- Reattori monolitici e convertitori catalitici
- Riduzione catalitica selettiva e catalizzatori SCR
- Idrogenatori
- Trasformazioni di semiconduttori e CVD
- Microfluidica e dispositivi lab-on-chip
Material Databases
| Formato file | Estensione | Lettura | Scrittura |
|---|---|---|---|
| CHEMKIN®1 | .dat, .txt, .inp3 | Sì | No |
| CAPE-OPEN (direct connection)1 | n/a | N/A | N/A |
| LXCAT file2 | .lxcat,.txt | Sì | No |
1 Any file format is allowed, these are the most common extensions
2Requires the Plasma Module
3Any extension is allowed; These are the most common extensions
Simulating the Release Mechanism in Drug-Eluting Stents
T. Schauer, I. Guler Boston Scientific Corporation, MN, USA
Stent insertion through the coronary artery is a common procedure used to treat restricted blood flow to the heart caused by stenosis. Following the procedure, restenosis may occur due to excessive tissue growth around the stent. Researchers at Boston Scientific are using multiphysics simulation to better understand how drug-eluting stents ...
Modeling the Electrochemistry of Blood Glucose Test Strips
Stephen Mackintosh Lifescan Scotland UK
Lifescan Scotland is a medical device company that designs and manufactures blood glucose monitoring kits for the global diabetes market. These involve the self-monitoring of blood glucose levels through specialized monitoring systems and test strips that comprise of a plastic substrate, two carbon-based electrodes, a thin dry reagent layer, and ...
Biosensor Design
Surface reactions with adsorption-reaction-desorption steps are common in for example photocatalysis and biosensors. A flow cell in a biosensor contains an array of micropillars for adsorption of for example antigens in aqueous solutions. A signal proportional to the surface coverage can be detected in a sensor, for example through ...
Chemical Vapor Deposition of GaAs
Chemical vapor deposition (CVD) allows a thin film to be grown on a substrate through molecules and molecular fragments adsorbing and reacting on a surface. This example illustrates the modeling of such a CVD reactor where triethyl-gallium first decomposes, and the reaction products along with arsine (AsH3) adsorb and react on a substrate to form ...
Carbon Deposition in Heterogeneous Catalysis
Carbon deposition on the surface of solid catalysts is commonly observed in hydrocarbon processing. A known problem is that carbon deposits can impede the activity of catalysts as well as block the flow of gas through a catalyst bed. This example investigates the thermal decomposition of methane into hydrogen and solid carbon, over a catalyst. ...
Transport in an Electrokinetic Valve
This application presents an example of pressure driven flow and electrophoresis in a 3D micro channel system. Researchers often use a device similar to the one in this model as an electrokinetic sample injector in biochips to obtain well-defined sample volumes of dissociated acids and salts and to transport these volumes. Focusing is obtained ...
Syngas Combustion in a Round-Jet Burner
The model simulates non-premixed turbulent combustion of syngas (synthesis gas) in a simple round-jet burner. Syngas is a gas mixture, primarily composed of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The name syngas relates to its use in creating synthetic natural gas. In the model, syngas is fed from a pipe into an open region with a slow ...
Membrane Dialysis
Dialysis is a widely used chemical species separation method. One such example is hemodialysis, which acts as artificial kidneys for people with renal failure. In dialysis, only specific components are allowed to diffuse through the membrane, based on differences in molecular size and solubility. The Membrane Dialysis app simulates a process for ...
Thermal Decomposition
In this tutorial, the heat and mass transport equations are coupled to laminar flow in order to model exothermic reactions in a parallel plate reactor. It exemplifies how you can use COMSOL Multiphysics to systematically set up and solve increasingly sophisticated models using predefined physics interfaces.
A Multiscale 3D Packed Bed Reactor
One of the most common reactors in the chemical industry, for use in heterogeneous catalytic processes, is the packed bed reactor. This type of reactor is used both in synthesis as well as in effluent treatment and catalytic combustion. This model is set up to calculate the concentration distribution in the reactor gas that flows around the ...
Steam Reformer
In fuel cell power generators, a steam reformer unit typically produces the hydrogen needed for the cell stack. This example illustrates the modeling of a steam reformer. The reformation chemistry occurs in a porous catalytic bed where energy is supplied through heating tubes to drive the endothermal reaction system. The reactor is enclosed in ...
Dissociation in a Tubular Reactor
Tubular reactors are often used in continuous large-scale production, for example in the petroleum industry. One key design parameter is the conversion, or the amount of reactant that reacts to form the desired product. In order to achieve high conversion, process engineers optimize the reactor design: its length, width and heating system. An ...
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