Chemical Reaction Engineering Module

Comprendere e ottimizzare processi e progetti chimici

I modelli matematici aiutano gli scienziati, gli sviluppatori e gli ingegneri a comprendere processi, fenomeni e progetti dei sistemi di reazione. Il Chemical Reaction Engineering Module, un prodotto aggiuntivo della piattaforma software COMSOL Multiphysics®, offre interfacce utente per creare, ispezionare e modificare equazioni chimiche, espressioni cinetiche, funzioni termodinamiche ed equazioni di trasporto. Dopo aver sviluppato un modello convalidato, lo si può utilizzare per studiare diverse condizioni operative, progetti di sistemi di reazione e fenomeni di trasporto. Risolvere le equazioni del modello più volte per diversi input consente di raggiungere una reale comprensione del sistema studiato. Inoltre, il Chemical Reaction Engineering Module, insieme ad altri strumenti di COMSOL Multiphysics®, fornisce metodi matematici e numerici all'avanguardia adattati per l'ottimizzazione e la stima dei parametri dei sistemi chimici.

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A plate reactor model with an isosurface plot showing the concentration of a chemical species in the Viridis color table.

Cosa puoi modellare con il Chemical Reaction Engineering Module

Simula i fenomeni di trasporto e le reazioni chimiche in molti processi industriali con il software COMSOL®.

Grafico 1D che mostra la concentrazione in due serbatoi.

Reattori a serbatoio ideali

Simulare sistemi ideali come i reattori batch, semibatch, a serbatoio agitato continuo, tubolari e a flusso continuo.

Modello di un serbatoio che mostra la concentrazione di acetaldeide durante la fermentazione della birra in gradazione arcobaleno.

Trasformazione di prodotti alimentari

Studiare e progettare processi e fenomeni nell'industria alimentare.

Modello di un convertitore monolitico: la conversione è mostrata in una tabella con colori in gradazione arcobaleno e la distribuzione della temperatura è mostrata nella scala colori di una termocamera.

Settore automobilistico e petrolchimico

Modellare convertitori catalitici e filtri in sistemi di scarico.

Visualizzazione dettagliata della temperatura e del flusso di un modello di motore a quattro cilindri.

Termodinamica

Analizzare come le proprietà delle miscele dipendano dalla composizione, dalla pressione e dalla temperatura.

Visualizzazione dettagliata di un modello di adsorbimento proteico che mostra la concentrazione.

Miscelazione e separazione

Progettare processi di miscelazione e separazione nell'industria della chimica fine.

Visualizzazione dettagliata della concentrazione di soluto in un modello di reattore a letto impaccato.

Scienze ambientali

Studiare l'eliminazione degli inquinanti nei flussi di effluenti modellando il trasporto e l'adsorbimento in letti porosi fissi, per esempio.

Visualizzazione dettagliata del trasporto e della concentrazione dei contaminanti di un dispositivo per dialisi a fibra cava.

Tecnologia medica

Testare i requisiti di progettazione di vari componenti in apparecchiature mediche, come le membrane per la dialisi.

Visualizzazione dettagliata della concentrazione in un modello di rilascio di farmaci.

Processi farmaceutici

Ottimizzare progetti e processi per applicazioni chimiche e biofarmaceutiche.

Visualizzazione dettagliata della frazione di flusso molecolare di un modello UHV/CVD.

Deposizione di vapori chimici

Modellare la crescita del substrato su una superficie attraverso l'adsorbimento e la deposizione nei processi CVD, come per esempio la produzione di wafer.

Visualizzazione dettagliata della concentrazione di una valvola elettrocinetica.

Effetti elettrocinetici

Modellare la separazione elettroforetica e il trasporto in colonne e altri sistemi microfluidici.

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 comprendere e ottimizzare un processo o un progetto. Il Chemical Reaction Engineering Module è studiato su misura per il tipico flusso di lavoro degli studi di chimica e ingegneria chimica, che coinvolgono i seguenti passi incrementali:

  • Studiare i meccanismi di reazione in sistemi ideali e perfettamente mescolati
  • Calcolare le proprietà cinetiche, termodinamiche e di trasporto
  • Estendere le indagini a sistemi dipendenti dallo spazio
    • Trasporto di specie chimiche
    • Trasferimento di calore
    • Campo di velocità
    • Effetti elettrocinetici

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 geochimici. L'intero processo, dalla definizione del modello alla presentazione dei risultati, è documentato nel software per trasparenza e riproducibilità.

Caratteristiche e funzionalità del Chemical Reaction Engineering Module

Il Chemical Reaction Engineering Module fornisce un flusso di lavoro integrato per la simulazione di sistemi perfettamente miscelati in 0D seguiti da fenomeni di trasporto in 2D e 3D.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Reaction Engineering evidenziato e i risultati della simulazione di un modello di reattore monolitico nella finestra Graphics.

Definizione della cinetica di reazione

Il primo passo nella modellazione di qualsiasi sistema è stabilire i bilanci di materia. Usando l'interfaccia Reaction Engineering, potete inserire equazioni chimiche e ottenere automaticamente le equazioni di bilancio di massa per le specie chimiche e le equazioni di bilancio energetico per il sistema. Quando inserirte 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.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Experiment evidenziato e il grafico 1D di un modello di degradazione del DNA nella finestra Graphics.

Stima di parametri

Gli studi delle reazioni chimiche e dei meccanismi di reazione di solito si basano sulla stima 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 assunto 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 fase di post-processing.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di Transport of Concentrated Species e modello multijet di polimerizzazione nella finestra Graphics.

Trasporto di specie chimiche

La modellazione dei fenomeni di trasporto nei sistemi di reazione comporta la descrizione delle specie chimiche nei cosiddetti modelli di trasporto multicomponente. Il Chemical Reaction Engineering Module contiene modelli sofisticati per il trasporto multicomponente nell'interfaccia Transport of Concentrated Species, dove potete scegliere tra la formulazione 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. Le equazioni di trasporto delle specie chimiche sono disponibili anche per i mezzi porosi, per esempio, per includere la diffusione di Knudsen. È incluso anche il modello di diffusione dei gas polverosi. La formulazione del modello di bilancio di massa così come le proprietà di trasporto possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche quando si genera un modello dipendente dallo spazio dall'interfaccia Reaction Engineering.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Heat Transfer in Fluids evidenziato e l'ampiezza della velocità di un modello del liquido di raffreddamento del motore nella finestra Graphics.

Scambio termico

La funzionalità di trasferimento del calore inclusa nel Chemical Reaction Engineering Module può tenere conto del trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Il termine di irraggiamento 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 quando si genera un modello dipendente dallo spazio nell'interfaccia Reaction Engineering.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni del Thermodynamic System e un grafico 1D di un modello di inviluppo di fase nella finestra Graphics.

Database delle proprietà termodinamiche

Il Chemical Reaction Engineering Module contiene un database di proprietà termodinamiche, che è possibile utilizzare 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, conducibità termica, diffusività binaria, attività e fugacità. Scopri di più su questa funzionalità nella pagina Liquid & Gas Properties Module: è tutto incluso anche nel Chemical Reaction Engineering Module.

Il database delle proprietà termodinamiche può essere usato per creare un cosiddetto pacchetto di proprietà per uno specifico sistema di reazione selezionando le specie chimiche presenti nel sistema, le proprietà desiderate e il modello termodinamico. Quando si definiscono i meccanismi di reazione, i reagenti e i 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 di reazione.

Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder con il nodo Generate Space-Dependent Model selezionato, la finestra Settings corrispondente e la concentrazione di un reattore tortuoso nella finestra Graphics mostrata nella tabella colori AuroraBorealis.

Generazione di modelli dipendenti dallo spazio

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 sistemi dipendenti dallo spazio. Le proprietà di trasporto calcolate nell'interfaccia Reaction Engineering (per esempio, capacità termica, conduibilità termica, viscosità e diffusività binaria) si trasferiscono automaticamente alle interfacce fisiche per trasporto delle specie chimiche, trasferimento di calore e il fluidodinamica. Questa funzionalità consente di raffinare e perfezionare le espressioni di cinetica e termodinamica delle reazioni chimiche prima di passare a modelli 2D, 2D assialsimmetrici e 3D.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con l'interfaccia Transport Properties selezionata e un modello di reattore poroso nella finestra Graphics.

Fluidodinamica

La funzionalità di fluidodinamica inclusa nel Chemical Reaction Engineering Module può gestire flussi laminari e in mezzi porosi. Inoltre, quando combinato con il CFD Module, sono disponibili accoppiamenti pronti per la modellazione del trasferimento di specie chimiche nel flusso turbolento. La formulazione del modello di fluidodinamica, così come la viscosità e la densità, possono essere ottenute direttamente dalle equazioni chimiche quando si genera un modello dipendente dallo spazio nell'interfaccia Reaction Engineering.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni delle Transport Properties e della concentrazione di una valvola elettrocinetica nella finestra Graphics.

Effetti elettrocinetici

Quando si modella il trasporto di specie diluite o concentrate, è possibile includere campi elettrici come forze motrici per il 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 valvole elettrocinetiche, flusso elettroosmotico ed elettroforesi.

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 trasporto-reazione, le reazioni superficiali possono essere trattate come equazioni al contorno accoppiate alle condizioni al contorno per le equazioni di trasporto e reazione nel bulk. Questo sarebbe tipico per i modelli al di sotto o fino alla scala microscopica. In alternativa, nei mezzi porosi, queste reazioni sono trattate in modo simile alle reazioni omogenee, ma includono l'area superficiale specifica (area per unità di volume del materiale poroso) e le proprietà di trasporto efficaci. Questo sarebbe tipico per i modelli sia in scala microscopica che in scala macroscopica, ovvero i cosiddetti modelli multiscala.

Il Chemical Reaction Engineering Module include formulazioni pronte per la catalisi eterogenea per entrambi i casi: reazioni superficiali su facce esterne e reazioni superficiali distribuite su un catalizzatore poroso omogeneizzato. Per i catalizzatori porosi, i modelli multiscala sono predefiniti per descrivere strutture di pori bimodali. Tali strutture possono consistere in pellet microporosi imballati per formare un letto di pellet macroporoso.

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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