Novità del Chemical Reaction Engineering Module
Agli utenti del Chemical Reaction Engineering Module, COMSOL Multiphysics® versione 5.3 offre nuove interfacce fisiche per modellare flussi reagenti in mezzi porosi, il trasporto di specie chimiche in fratture, la separazione di carica con le equazioni di Nernst-Planck e con l'equazione di Poisson e il flusso elettroforetico. Gli aggiornamenti del Chemical Reaction Engineering Module sono descritti in dettaglio qui di seguito.
Nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media
La modellazione di letti impaccati, reattori monolitici e altri reattori catalitici eterogenei è stata molto semplificata con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media. Questa interfaccia permette di definire i processi di diffusione, convezione, migrazione e reazione tra specie chimiche per il flusso in mezzi porosi, senza dover impostare interfacce separate e poi accoppiarle. L'interfaccia multifisica combina automaticamente tutti gli accoppiamenti e le interfacce fisiche necessari per modellare la catalisi eterogenea con un flusso in mezzi porosi e con il trasporto di specie chimiche diluite o concentrate.
Poiché questa interfaccia multifisica completa altre interfacce simili per il flusso laminare e turbolento, è possibile scambiare o definire nuovi accoppiamenti con altri tipi di modelli di flusso senza dover ridefinire e impostare una nuova interfaccia per i fenomeni fisici coinvolti. La finestra impostazioni consente di selezionare il tipo di flusso da modellare e il trasporto di specie chimiche, senza perdere la cinetica di reazione o le proprietà del materiale definite. È dunque possibile confrontare diverse strutture di reattore o, all'interno del medesimo reattore, modellare flussi liberi e in mezzi porosi, anche quando i due regimi sono collegati (v. immagine).
Modello di microreattore poroso che illustra le isosuperfici di concentrazione di un reagente iniettato attraverso un ago verticale. Il reagente si mescola a un flusso libero contenente un secondo reagente che attraversa un catalizzatore monolitico modellato come mezzo poroso. È ora possibile definire completamente il modello con la nuova interfaccia multifisica Reacting Flow in Porous Media.
Percorso dell'Application Library con un esempio che utilizza la nuova interfaccia Reacting Flow in Porous Media:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor
Nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures
Le fratture hanno spessori molto piccoli rispetto alle quote di lunghezza e larghezza. Spesso è difficile modellare il trasporto di specie chimiche in questi sistemi dovendo generare la mesh dello spessore di una frattura, a causa dell'elevato rapporto di forma tra le quote dimensionali. La nuova interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures tratta la frattura come una shell, generando solo la mesh di superficie delle dimensioni trasversali.
L'interfaccia consente di definire lo spessore medio della frattura, nonché la porosità nei casi in cui la frattura sia considerata come una struttura porosa. Per il trasporto delle specie chimiche, l'interfaccia consente di definire i modelli di diffusività efficace per includere gli effetti legati alla porosità. Il trasporto convettivo può essere accoppiato a un'interfaccia Thin-Film Flow o includere equazioni personalizzate per definire il flusso attraverso la frattura. Inoltre, si possono definire reazioni chimiche che si verificano sulle superfici, all'interno delle fratture o in un mezzo poroso che le includa.
Trasporto di specie diluite lungo la superficie di una frattura leggermente curva. La superficie curva è costituita da un percorso tortuoso dove sono modellati il moto del fluido e il trasporto di specie chimiche.
Superfici di frattura nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media
Nei casi in cui il trasporto avvenga in un dominio poroso 3D con frattura, la nuova condizione al contorno Fracture consente di modellare il trasporto nelle fratture sottili senza doverle meshare come entità 3D. La condizione al contorno Fracture è inclusa nell'interfaccia Transport of Diluted Species in Porous Media (v. immagine) e ha le stesse impostazioni dell'interfaccia Transport of Diluted Species in Fractures (descritta sopra). Le equazioni del moto e il trasporto di specie chimiche si accoppiano in modo del tutto analogo tra un mezzo poroso 3D, equazioni del moto e trasporto di specie chimiche in frattura.
L'immagine seguente mostra il campo di concentrazione nel modello di un reattore poroso. Nel modello, una frattura distorta "perde" i reagenti in profondità nel catalizzatore poroso, da sinistra a destra, a una velocità maggiore rispetto al trasporto attraverso il mezzo poroso. Questo è dovuto al fatto che la superficie di frattura ha una porosità media molto più elevata rispetto al catalizzatore poroso circostante, il che risulta in una velocità di trasporto di massa superiore.
Contorni di concentrazione attraverso il reattore 3D e concentrazione sulla superficie di frattura. La velocità di trasporto di massa superiore nella superficie di frattura conferisce una maggiore penetrazione (da destra a sinistra) delle specie che non hanno reagito nel letto del catalizzatore. La variazione di concentrazione da destra a sinistra è molto piccola nella superficie di frattura (da 0,63 a 0,62 mol/m3).
Funzionalità di termodinamica aggiornate per i database CAPE-OPEN
L'interfaccia utente per definire le funzioni termodinamiche e i pacchetti di proprietà dai database CAPE-OPEN è stata semplificata in modo da rendere più intuitivo e semplice il collegamento del Chemical Reaction Engineering Module ai database esterni.
Nuova interfaccia Nernst-Planck-Poisson Equations
Il trasporto di ioni in elettroliti sottoposti a campi elettrici è determinato dalla diffusione, dalla migrazione e dalla convezione, fenomeni descritti dalle equazioni di Nernst-Planck. Nei casi in cui il campo elettrico sia intenso, si può verificare la separazione della carica (deviazione dall'elettroneutralità) a livello locale nell'elettrolita, ad esempio vicino a superfici metalliche o ceramiche. La separazione della carica può essere modellata con le equazioni di Nernst-Planck combinate con l'equazione di Poisson per la conservazione della carica. La nuova versione del Chemical Reaction Engineering Module contiene la nuova interfaccia Nernst-Planck-Poisson Equations per modellare questi tipi di sistemi.
Nuova interfaccia Electrophoretic Transport
La nuova interfaccia Electrophoretic Transport può essere utilizzata per studiare il trasporto di specie completamente dissociate, acidi e basi deboli, anfoliti e proteine in solventi acquosi. L'interfaccia fisica può essere utilizzata per modellare vari processi elettroforetici, come l'elettroforesi zonale, l'isotacoforesi, la focalizzazione isoelettrica e l'elettroforesi con contorno mobile, ma vale anche per qualsiasi sistema acquoso che coinvolga molteplici equilibri acido-base.
Nuovo tutorial: Zone Electrophoresis
Questo tutorial serve da introduzione all'interfaccia Electrophoretic Transport. Viene impostato un problema di elettroforesi zonale per la separazione di un campione contenente anilina e piridina.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Zone Electrophoresis:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/zone_electrophoresis
Tutorial aggiornato: Isoelectric Separation
Questo esempio applica le interfacce Electrophoretic Transport e Laminar Flow per modellare la separazione isoelettrica in un dispositivo di elettroforesi a flusso libero. Un flusso con quattro proteine diverse si separa in flussi concentrati per mezzo del trasporto per migrazione in un campo elettrico.
Percorso dell'Application Library con il tutorial Isoelectric Separation aggiornato:
Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/isoelectric_separation