Comsol 化学反应工程模块简介

化学反应工程模块简介

(赵毅翻译整理，仅供参考)

化学反应工程模块（CREM）是本软件专门为化学系统仿真量身裁剪出的模型工具包，化学系统通常影响的因素无外乎化学组分、反应动力学、流体力学、以及温度随时间的演化关系。对于化学反应动力学模型、稀、浓、电势影响溶液中的传质，以及在多孔性介质中的层状流体流动、以及能量传递该模块都有相应的应用接口。

         在这些接口中包含了在溶剂体系和催化剂表面反应系统的动力学表达式，传质过程定义。你也可以访问各种已经设立好的表达式来直接计算体系的热力学和传输性质。

         该模块的主要目的是聚焦于化学反应器和反应系统，同时也可以扩展到含有传质过程的其他系统上。扩展包括过程操作单元，分离混合单元，色谱分离单元以及电泳单元。该模块也可以用于对化工过程，化学反应工程相关教学和训练之目的。

         此外也可以用于传统的化学工业上，它是当下较为流行的用于研究清洁过程工艺的工具之一（例如，催化装置和反应性过滤装置），这些应用可以是生物科技中的微反应器以及是分析化学中的传感器开发。

化学反应工程仿真

         在化学反应工程中研究和开发反应系统的过程中仿真是较为常用的手段，在初始阶段，常用仿真来切分并理解整个体系的过程。通过建立模型并研究仿真结果，科研工作者可以理解并启发后续的创新过程。

         一旦过程了解清楚之后，就可以建模和仿真通过优化和控制工艺过程变量，这些虚拟的设备可以模拟在不同条件下试验的结果。

         另外使用模型进行仿真的场景是通过现有试验条件极难达到的过程。一个例子是安全性的验证，比如模拟危险化学品发生不可控的泄漏。仿真可以开发出当危化品泄漏发生时所采取的对策和处置程序。

         以上所有的情况，仿真可以减少原型试验装置进行大量试验所耗费的时间和金钱。

建模策略

         在建模过程中首先要考虑反应系统是空间独立还是空间依赖的。如果系统是空间依赖的就涉及到反应过程仅仅是时间的函数。平推流反应器就是空间无关的体系。

         只有把空间的依存度效应考虑清楚之后，在试验过程和模型研究过程才能把注意力集中在反应自身，从而使用速率关系控制反应过程。

平推流反应器（理想混合）反应动力学研究方法

         Ideally, a reaction mechanism and its corresponding rate laws are found through conducting rigidly controlled experiments, where the influence of spatial and time variations are well known. Sometimes such experiments are difficult to run, and a search of the literature or using the rate laws from similar reactions provides the first hypothesis.

Perfectly mixed or ideal plug flow reactors models are the most effective reactor types for duplicating and modeling the exact conditions of a rigidly-controlled experimental study.

空间依赖模型-用于研究反应器和系统

         一旦反应过程或者反应体系的机理和动力学参数已经确立，那么就可以利用上述结果进行真实环境的模拟，所有的变量都将被考虑进去包括时间和空间，同时，除了反应动力学还要考虑传质，传热和流体流动。

         当模型可以精确的描述过程，那么就可以利用模型对各种不同条件下过程进行模拟，即可以用来计算结果，也可以用来进一步优化反应器。或者设计控制系统。

化学反应工程模块的接口

         化学反应和传质接口

                   化学反应工程接口包括了在预定义好环境下所有用来模拟化学反应动力学的工具，它可以用来建立在体积内和表面上的可逆反应，平衡反应和不可逆反应（组）。可以研究在间歇反应釜、连续搅拌槽、半间歇以及平推流反应器内的反应过程中浓度和温度的演化。同时可以进行参数估计，这个需要调用优化模块。

                  化学接口可以进行化学反应工程接口中的一切，但是不能进行空间独立系统。该接口的使用通常是在使用前者建立并导出空间依赖模型后在进行使用。此时，它作为反应动力学和材料性质提供者传递给空间依赖传输接口（如传递）。

表面反应接口可以进行表面吸附以及在表面进行反应。该接口应用在模型的边界，并且要与传质接口耦合使用。该接口可以与传质接口、反应流接口和电化学接口联合使用。电化学接口需要添加电池与燃料电池模块，腐蚀模块，电化学模块或者电镀模块的其中一个。预先定义表面反应增长速率的表达式对于移动边界模型的建立会更有利。

稀物质传输结构，用来模拟化学物质在扩散、对流和电场下迁移的传质过程，其中对于溶剂是过剩的。它也可以用于多孔介质传质。支持固相介质。

浓物质传输接口，用来对混合物中某一种组分而言的扩散，对流和电迁移行为，传输性质通常依赖于各组分浓度，该接口支持用Fickian扩散方程，混合均化模型和Maxwell-Stefan多组分传质模型。

能斯特-普朗克方程接口，包含了电迁移项，沿对流和扩散的传质，联立一个方程来保证电中性。该接口可用于浓、稀混合物体系，还有用于描述电势的一项。

层流接口，在反应流和单向流菜单下都有。第一个出现的平流用来处理在自由或者多孔性环境下稀反应液的输送特性。组分对速度场会自动建立。另外，在多孔性基质的有效扩散系数也会计算出来。

在第二个出现的层流主要处理浓反应介质的传输问题，对组分的处理不仅有速度场还有混合密度。此外，也能计算在孔性介质中的扩散系数。

单相流

层流接口，用于对低雷诺数下的流体进行建模，通常与传质和传热过程组合使用。该接口可以求解NS方程并且假定默认流体可压缩；这样密度就依赖于压力，组分和温度。压缩流可以建模最高马赫数为0.3.也可以选择不可压缩流并且进行相应的简化。

  还有一个有效的工具用来描述其他材料性质，例如密度和粘度通过输入方程的某一项进行参数进行计算。在库中很多材料的性质都是函数表达式。

多孔性介质与面下流

达西定律接口，用来对流体在多孔性介质间隙流动进行建模，此时多孔性介质是均相的。联合孔内流体的连续性方程和状态方程该接口可以用于对压力作为主要驱动力的流体进行建模。反应性气体对催化剂的渗透是该定律应用的范例。

达西定律也可以用在孔阻力为分数关系的流体模型下。它用在非常缓慢流速，或者孔介质非常小。流体的过滤和填料床比较适合此类模型。

         布林克曼方程接口，用于描述在0.3马赫下的可压缩流体，也可以用它对不可压缩流体建模以及简化方程求解。另外可以选择SB流特征来减小方程外部依存度。可以用该接口对孔间隙较大的多孔流建模；布林克曼接口可扩展达西定律来通过粘性剪切来描述动能耗散。也可以加Forchheimer药物项来模拟大口填料床中粘性药物，此时药物流体的湍流变得重要。该药物项也叫Ergun方程。

自由和孔性介质流接口，该接口用于含有自由流体向多孔性介质连接的过程，注入填料床和催化转化器。需要注意的是孔性区域比自由流体区域大，并且你主要不关注在界面区，你可以使用流体接口和达西定律接口来处理即可。

         该接口需要至少两个不同的作用域，一个自由通道一个孔性介质区。该接口…

热传导

                  热传导接口包含有流体热传导，固体热传导和气象热传导以及多孔介质热传导。并且考虑热传导和热对流因素，这些作用可以无缝交互组合为单一模型。面对面的热辐射也可以考虑进能量方程，这需要借助外部模块。