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Studia bilanci di massa ed energia con il Chemical Reaction Engineering Module

Comprensione e ottimizzazione dei processi e dei progetti chimici

I modelli matematici aiutano gli scienziati, gli sviluppatori e gli ingegneri a capire processi, fenomeni e progetti dei sistemi che reagiscono. Il Chemical Reaction Engineering Module, un add-on della piattaforma software COMSOL Multiphysics®, fornisce un'interfaccia utente per creare, ispezionare e modificare nei modelli equazioni, espressioni cinetiche, funzioni e variabili. Dopo aver sviluppato un modello validato, esso può essere utilizzato per diverse condizioni operative e studi, dando vita a nuove idee come risultato della comprensione intuitiva della relazione tra ipotesi e risultati. Risolvere le equazioni del modello più e più volte per diversi input consente di raggiungere una reale comprensione del sistema studiato. Inoltre, il modulo Chemical Reaction Engineering, insieme ad altri strumenti in COMSOL Multiphysics®, è sviluppato per l'ottimizzazione: fornisce metodi matematici e numerici all'avanguardia adattati ai sistemi chimici.

Cosa puoi modellare con il Chemical Reaction Engineering Module

Quando arricchite la piattaforma COMSOL Multiphysics® con il Chemical Reaction Engineering Module, guadagnate l'accesso a funzionalità specifiche per la modellazione di fenomeni di trasporto e reazioni chimiche, in aggiunta alle funzionalità di base del software COMSOL®.

Il Chemical Reaction Engineering Module include strumenti per:

  • Modellazione di meccanismi di reazione dettagliati negli studi di cinetica chimica

    • Fasi elementari
    • Energie di attivazione
    • Fattori di frequenza
    • Composizione chimica
    • Pressione
    • Temperatura
  • Modellazione di sistemi ideali

    • Reattori batch
    • Reattori semibatch
    • Reattori a serbatoio agitato continuo
    • Reattori tubolari
    • Reattori a flusso continuo
  • Calcolo delle proprietà termodinamiche e di trasporto per:

    • Gas
    • Sistemi gas-liquido (calcoli flash)
    • Sistemi liquido-liquido
    • Sistemi gas-liquido-liquido
  • Modellazione e simulazione di processi industriali

    • Metodi di analisi nei sensori
    • Applicazioni automobilistiche
    • Deposizione di vapori chimici
    • Scienze ambientali
    • Lavorazioni alimentari
    • Sintesi inorganica nell'industria chimica di massa
    • Tecnologia medicale
    • Industria petrolchimica
    • Processi farmaceutici

Accoppiamenti multifisici

  • Modellare i fenomeni di trasporto in miscele concentrate e soluzioni diluite accoppiate con:
    • Scambio termico
    • Fluidodinamica laminare e turbolenta
    • Flussi multifase
    • Flussi in mezzi porosi
Modello di un convertitore monolitico con la conversione mostrata in una tabella con colori Rainbow e la distribuzione di temperatura mostrata in una tabella con colori stile termocamera. Conversione e distribuzione della temperatura in un convertitore monolitico per la riduzione di NOx per il trattamento dei gas di scarico in applicazioni automobilistiche.
Modello di miscelatore statico laminare con le linee di flusso e la concentrazione mostrate nella tabella di colori Cividis. Linee di flusso e concentrazione in un miscelatore statico laminare.
Un grafico 1D di un modello di reattore batch che mostra la composizione in funzione del tempo per diverse specie chimiche. Composizione in funzione del tempo in un reattore batch perfettamente miscelato. La miscela liquida è tipica per un reattore di ibuprofene.

Panoramica della strategia di modellazione e del flusso di lavoro

Descrizioni realistiche dei sistemi di reazione negli studi scientifici e ingegneristici spesso richiedono di incorporare sia fenomeni di trasporto che reazioni chimiche per capire e ottimizzare un processo o un progetto. Il Chemical Reaction Engineering Module è fatto su misura per il tipico flusso di lavoro degli studi di chimica e ingegneria chimica, che coinvolgono i seguenti passi incrementali:

  • Studio di sistemi ideali e perfettamente miscelati per identificare i meccanismi di reazione e stimare i parametri cinetici, come i fattori di frequenza e le energie di attivazione.
  • Calcolo delle proprietà termodinamiche e di trasporto.
  • Estensione delle indagini a sistemi dipendenti dallo spazio, dove possono essere presenti variazioni spaziali di temperatura e composizione. Questo significa che insieme alle reazioni chimiche devono essere presi in considerazione il trasporto di specie chimiche, il trasferimento di calore e il campo di velocità.
  • Modellazione e stima delle proprietà di trasporto effettivo in mezzi porosi o per flussi turbolenti, in combinazione con il CFD Module.

Il flusso di lavoro descritto sopra può essere applicato in molti campi diversi che coinvolgono reazioni chimiche e in tutte le scale, dalla nanotecnologia e dai microreattori fino agli studi ambientali e alla geochimica.

Il modulo permette a ingegneri, scienziati e progettisti di definire i modelli in modo rapido ed efficiente, risolvere le equazioni del modello, eseguire l'analisi dei parametri e valutare i risultati degli studi di simulazione. Inoltre, l'intero processo, dalla definizione del modello alla presentazione dei risultati, è documentato nel software per trasparenza e riproducibilità.

Diagramma di flusso che mostra come modellare meccanismi di reazione complessi partendo da un modello indipendente dallo spazio ed espandendolo con fenomeni di trasporto dipendenti dallo spazio. Un possibile approccio di modellazione per meccanismi di reazione complessi consiste nell'iniziare con modelli indipendenti dallo spazio ed estenderli per includere fenomeni di trasporto. Il modello dipendente dallo spazio mostra un reattore a serbatoio agitato tipicamente utilizzato nei processi batch, ad esempio, nell'industria alimentare e farmaceutica.

Studio dei meccanismi di reazione chimica in sistemi perfettamente miscelati

Il primo passo per eseguire simulazioni di processi di ingegneria chimica è studiare i meccanismi di reazione in sistemi perfettamente miscelati. L'interfaccia Reaction Engineering è lo strumento principale per studiare questi sistemi prima di passare ai fenomeni di trasporto.

Il primo passo nella modellazione di qualsiasi sistema è stabilire i bilanci di materia. In COMSOL Multiphysics®, potete inserire equazioni chimiche e ottenere automaticamente le equazioni di bilancio di massa per le specie chimiche nel sistema e le equazioni di bilancio energetico per il sistema. Quando scrivete il meccanismo di reazione, le espressioni cinetiche in funzione delle concentrazioni delle specie sono derivate automaticamente dalla legge di azione di massa per i passaggi elementari. Potete anche digitare le vostre espressioni analitiche per la velocità di reazione in funzione delle concentrazioni di specie e della temperatura.

I bilanci di materia e le espressioni cinetiche di reazione risultano in equazioni differenziali ordinarie formulate automaticamente dal software. Per un reattore batch perfettamente miscelato, la soluzione delle equazioni dà la composizione della miscela che reagisce nel tempo.

 

Il Chemical Reaction Engineering Module contiene anche un database di proprietà termodinamiche, che si può usare per calcolare le proprietà di miscele di gas, miscele di liquidi, sistemi gas-liquido all'equilibrio (calcoli flash), sistemi liquido-liquido e sistemi gas-liquido-liquido all'equilibrio. Diversi modelli termodinamici possono essere usati per calcolare densità, capacità termica, entalpia di formazione, entalpia di reazione, viscosità, conducibilità termica, diffusività binaria, attività e fugacità.

Sono disponibili i seguenti modelli termodinamici:

Miscele di gas

  • Gas ideale
  • Peng – Robinson
  • Peng – Robinson (Twu)
  • Soave – Redlich – Kwong
  • Soave – Redlich – Kwong (Graboski – Daubert)

Miscele liquide

  • Chao–Seader (Grayson–Streed)
  • Wilson
  • NRTL
  • UNIFAQ VLE
  • UNIQUAC
  • Soluzione regolare
  • Soluzione regolare estesa
  • Soluzione ideale

Il database delle proprietà termodinamiche può essere usato per creare un cosiddetto pacchetto di proprietà per uno specifico sistema reattivo selezionando le specie chimiche presenti nel sistema, le proprietà desiderate e il modello termodinamico. Questo pacchetto di proprietà definisce funzioni ed equazioni da usare nel modello del sistema reagente. Si noti che un pacchetto di proprietà definisce funzioni che possono essere usate per sistemi perfettamente miscelati e dipendenti dallo spazio. Le interfacce Reaction Engineering e Chemistry permettono il collegamento automatico di funzioni ed equazioni ai modelli per sistemi perfettamente miscelati e sistemi dipendenti dallo spazio, rispettivamente.

Quando un'interfaccia Reaction Engineering o Chemistry è definita con meccanismi di reazione e un insieme di reagenti e prodotti, questi reagenti e prodotti possono essere abbinati alle specie chimiche nel pacchetto di proprietà definito dal database delle proprietà termodinamiche. Questa corrispondenza collega automaticamente le funzioni e le equazioni generate dal pacchetto di proprietà al modello del sistema che reagisce.

Per sistemi perfettamente miscelati, la combinazione dell'interfaccia Reaction Engineering e del pacchetto delle proprietà permette di definire e risolvere le equazioni completamente accoppiate che descrivono i bilanci di materia ed energia. I risultati sono la temperatura e la composizione del sistema che reagisce nel tempo, con un dato set di condizioni iniziali e condizioni operative.

Il database delle proprietà termodinamiche può anche essere usato per calcolare la capacità termica, la densità, la conducibilità termica e la viscosità dei fluidi in sistemi che non coinvolgono reazioni chimiche. Le proprietà della miscela dipendono fortemente dalla temperatura e dalla composizione. Si noti che tutte le funzionalità qui descritte costituiscono il Liquid & Gas Properties Module, che è incluso nel Chemical Reaction Engineering Module.

Modello di sistema di raffreddamento di un motore a quattro cilindri con la distribuzione di temperatura e flusso mostrata nella tabella dei colori stile termocamera. Distribuzione della temperatura e del flusso nel sistema di raffreddamento di un motore a quattro cilindri. La soluzione è composta da acqua e glicole.

Gli studi delle reazioni chimiche e dei meccanismi di reazione di solito si basano sulla stima dei parametri di fattori di frequenza, energie di attivazione e altri parametri che possono descrivere quantitativamente le osservazioni sperimentali. Il Chemical Reaction Engineering Module può essere combinato con l'Optimization Module per accedere a un'interfaccia dedicata alla cinetica chimica.

Il tipico flusso di lavoro per la stima dei parametri del modello per un certo meccanismo di reazione presunto è il seguente. Prima si seleziona il parametro del modello da stimare, come le costanti di reazione, e si inseriscono i valori iniziali e le scale per i parametri. Poi, è possibile collegarsi al file che contiene i dati sperimentali, facendo corrispondere le colonne dei dati con le variabili del modello. Una volta eseguita la stima dei parametri, è possibile confrontare i risultati del modello e le misure sperimentali in post-elaborazione.

Grafico 1D di un modello di degradazione delle proteine che confronta i dati sperimentali con uno studio di stima dei parametri. Dati sperimentali confrontati con i risultati della simulazione ottenuti con la stima dei parametri. Questo esempio specifico studia la cinetica di degradazione delle proteine in un'applicazione biotecnologica.

Una volta che si dispone di un modello funzionante per un sistema perfettamente miscelato, è possibile utilizzare questo modello per definire automaticamente bilanci di massa, energia e quantità di moto per i sistemi dipendenti dallo spazio direttamente dall'interfaccia Reaction Engineering. Questa funzionalità consente di definire problemi in 2D, 2D assialsimmetrici e 3D per trasporto multicomponente, trasferimento di calore e fluidodinamica. Le proprietà di trasporto calcolate nell'interfaccia Reaction Engineering (ad esempio conducibilità termica, calore specifico, viscosità e diffusività binaria) vengono quindi rese automaticamente disponibili nelle interfacce di trasporto dipendenti dallo spazio.

Modello 3D che mostra la dealogenazione degli idrocarburi in un microreattore tortuoso utilizzando un gradiente di colore bianco-blu. Un modello indipendente dallo spazio (0D) può essere utilizzato per definire automaticamente le equazioni di trasporto delle specie chimiche, trasferimento di calore e fluidodinamica dalle equazioni chimiche e dalle proprietà termodinamiche.

Modelli dipendenti dallo spazio

Trasporto multicomponente

La struttura e la nomenclatura delle formulazioni usate nel modulo per i bilanci di materia, energia e quantità di moto, accoppiati alla cinetica di reazione, sono tratte dal libro di testo Transport Phenomena di Bird, Stewart e Lightfoot. In questo modo, l'interfaccia utente risulta familiare agli ingegneri chimici sia nell'industria che nelle istituzioni accademiche. La modellazione dei fenomeni di trasporto nei sistemi reagenti comporta la descrizione delle specie chimiche nei cosiddetti modelli di trasporto multicomponente. Il modulo Chemical Reaction Engineering contiene modelli sofisticati per il trasporto multicomponente nell'interfaccia Transport of Concentrated Species, dove potete scegliere tra la formulazione di Maxwell–Stefan e i modelli mediati da miscela per il trasporto multicomponente. Per le soluzioni diluite, potete anche scegliere l'interfaccia Transport of Diluted Species, che tratta i casi in cui le interazioni nella soluzione sono dominate dalle interazioni soluto-solvente.

Effetti elettrocinetici

Entrambe le interfacce Transport of Concentrated Species che Transport of Diluted Species possono includere campi elettrici come forze motrici del trasporto per la modellazione di elettroliti e ioni. Le interfacce Nernst-Planck e Electrophoretic Transport sono dedicate alla modellazione degli elettroliti e possono includere le formulazioni dell'equazione di Poisson o la condizione di elettroneutralità per l'equilibrio di carica nell'elettrolita. Le applicazioni di questa funzionalità includono le valvole elettrocinetiche, flusso elettroosmotico ed elettroforesi. Le equazioni di trasporto delle specie chimiche sono disponibili anche per i mezzi porosi, per esempio, per includere la diffusione di Knudsen. Il software comprende anche il modello di diffusione dusty-gas. La formulazione del modello di bilancio di massa e le proprietà di trasporto possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche utilizzando la funzionalità Generate Space-Dependent Model nell'interfaccia Reaction Engineering.

Fluidodinamica

Le interfacce di fluidodinamica nel Chemical Reaction Engineering Module possono gestire flussi laminari e in mezzi porosi. Inoltre, il modulo comprende accoppiamenti predefiniti per la modellazione del trasferimento di specie chimiche in flussi turbolenti, se combinato con il CFD Module. La formulazione del modello di fluidodinamica così come la viscosità e la densità possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche usando la funzionalità Generate Space-Dependent Model nell'interfaccia Reaction Engineering.

Scambio termico

Le interfacce di trasferimento del calore incluse nel Chemical Reaction Engineering Module possono tenere conto del trasferimento di calore per conduzione, convezione e radiazione. Il termine di radiazione è dato dalla radiazione superficie-ambiente, mentre l'Heat Transfer Module è richiesto per la radiazione superficie-superficie e la radiazione nei mezzi partecipanti. Le capacità di trasferimento del calore nel Chemical Reaction Engineering Module includono il trasferimento di calore nei fluidi, nei solidi e nei mezzi porosi. La formulazione del modello di trasferimento di calore così come le proprietà termodinamiche e di trasporto possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche usando la funzionalità Generate Space-Dependent Model nell'interfaccia Reaction Engineering.

Reazioni superficiali e catalisi eterogenea

Le reazioni superficiali sono tipiche della catalisi eterogenea e dei processi di deposizione superficiale come la deposizione chimica di vapore. Si trovano nell'industria chimica massiva, per esempio, nel processo Haber–Bosch per la produzione di ammoniaca e nei microsensori per il rilevamento di quantità molto basse di traccianti che possono adsorbire sulle superfici ed essere rilevati, tra le altre cose, da un cambiamento delle proprietà elettriche. Nei modelli di reazione di trasporto, le reazioni di superficie possono essere trattate in due modi diversi:

  • Come equazioni al contorno accoppiate alle condizioni al contorno per le equazioni di trasporto e di reazione nel bulk. Questo sarebbe tipico per modelli al di sotto o fino alla scala microscopica.
  • Come reazioni in mezzi porosi, dove sono trattate in modo simile alle reazioni omogenee, ma includono l'area superficiale specifica (area per unità di volume del materiale poroso) e proprietà di trasporto efficaci. Questo sarebbe tipico dei modelli sia su scala microscopica che su scala macroscopica, i cosiddetti modelli multiscala.

Le interfacce Reaction Engineering e Chemical possono anche trattare specie di superficie e reazioni di superficie in modelli indipendenti dallo spazio per studi meccanicistici ed esportare automaticamente la cinetica in espressioni al contorno, come nella prima opzione sopra, o come reazioni omogeneizzate in mezzi porosi, come nella seconda opzione sopra.

Modello di reattore tubolare che mostra la distribuzione dell'idrogeno in una tabella con colori rainbow. Distribuzione dell'idrogeno in un reattore tubolare modellato con flusso in mezzi porosi e trasporto multicomponente e reazioni.
Modello di valvola elettrocinetica che mostra la separazione del soluto, con il flusso in direzione orizzontale e il campo elettrico nel canale verticale. Separazione del soluto in una valvola elettrocinetica. Il flusso avviene in direzione orizzontale, mentre un campo elettrico viene applicato nel canale verticale. Gli ioni caricati nell'elettrolita che scorre verticalmente migrano verso il basso nel canale verticale.
Modello di reattore multijet che mostra la distribuzione della concentrazione di un reagente in un flusso turbolento come isosuperfici che vanno dal bianco al blu scuro. Distribuzione della concentrazione di un reagente, raffigurata come isosuperficie, in un flusso turbolento di reazione in un reattore multijet. La reazione desiderata in questo caso è una reazione di polimerizzazione di condensazione usata, per esempio, nella produzione di nylon. I polimeri di condensazione hanno il vantaggio di essere biodegradabili.
Diagramma di flusso che mostra più scale per i modelli di reazione superficiale, comprese reazioni di particelle eterogenee, particelle porose omogenee e letti omogeneizzati con doppia porosità. È possibile modellare reazioni di superficie accoppiate al trasporto e alle reazioni in un bulk in una geometria dettagliata (angolo superiore sinistro), come una particella porosa omogenea (angolo superiore destro), e come un letto omogeneizzato con porosità multiple (in basso a destra).

Crea app per simulazioni di processo ottimizzate

È possibile creare interfacce utente di qualsiasi modello esistente utilizzando l'Application Builder, incluso in COMSOL Multiphysics®. Questo strumento permette di creare applicazioni per scopi molto specifici con input e output ben definiti. Le applicazioni possono essere usate per molti scopi diversi:

  • Automatizzare attività complesse e ripetitive che possono essere collegate a un singolo comando registrando le operazioni della GUI, per esempio sequenze parametriche non banali che possono essere difficili da riprodurre senza errori
  • Creare e aggiornare rapporti da un gran numero di simulazioni parametrizzate secondo routine specifiche per garantire la migliore riproducibilità e qualità possibile
  • Fornire interfacce user-friendly per modelli specifici, per consentire ai non esperti di modellazione e simulazione di beneficiare dei vantaggi nei termini di comprensione e ottimizzazione
  • Ampliare l'accesso ai modelli all'interno di un'organizzazione, per massimizzare il ritorno dell'investimento grazie allo sviluppo e alla progettazione guidati dalla simulazione
  • Ottenere un vantaggio competitivo permettendo ai vostri clienti di ottenere il miglior adattamento possibile per quanto riguarda la selezione dei vostri prodotti, sulla base di modelli ad alta fedeltà incorporati in app user-friendly fornite da voi

Dopo aver costruito un'app in COMSOL Multiphysics®, potete renderla disponibile ai vostri colleghi e clienti con i prodotti COMSOL Compiler™ o COMSOL Server™.

L'interfaccia utente di un'app di simulazione COMSOL Multiphysics, con le sezioni Descrizione, Input, Risultati e Informazioni sulla simulazione e una finestra Grafica che traccia la frazione molare delle specie durante la conversione dell'etilene in etanolo. Questa app di simulazione consente all'utente di calcolare le composizioni di equilibrio in una conversione in fase gassosa di etilene in etanolo e di studiare come le condizioni iniziali e le condizioni operative influenzano la produzione di etanolo.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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