化学反応工学モジュール

化学プロセスおよび設計を理解し, 最適化する

数理モデルは, 科学者, 開発者, エンジニアが, 反応するシステムのプロセス, 現象, 設計を理解するのに役立ちます. COMSOL Multiphysics® のアドオンソフトウェアである化学反応工学モジュールには, 化学反応式, 動力学式, 熱力学関数, および輸送方程式を作成, 検査, および編集するためのユーザーインターフェースが用意されています. 検証済みのモデルを開発した後は, 反応系や輸送現象に関するさまざまな運転条件や設計の研究に利用することができます. 異なる入力に対してモデル方程式を何度も繰り返し解くことで, 研究対象であるシステムの真の理解につながります. さらに, 化学反応工学モジュールは, COMSOL Multiphysics® の他のツールとともに, 化学系の最適化およびパラメーター推定に適した最先端の数学的および数値的手法を提供します.

COMSOL へお問い合わせ
ビリディスカラーテーブルの化学種の濃度を示す等値面プロットを持つプレート型リアクターモデル.

化学反応工学モジュールでモデリングできること

COMSOL® ソフトウェアを使用して, 多くの工業プロセスにおける輸送現象および化学反応をモデル化できます.

2つの水槽の濃度を示す1次元プロット.

理想的なタンクリアクター

バッチ, セミバッチ, 連続撹拌槽, 管状, プラグフローリアクターなどの理想的なシステムをシミュレート.

発酵中のビール中のアセトアルデヒド濃度をレインボーで示したタンクの模型.

食品加工

食品産業におけるプロセスや現象を研究, 設計.

変換をレインボーカラーテーブルで, 温度分布をヒートカメラカラーテーブルで表示したモノリシックコンバーターモデル.

自動車, 石油化学

排気系の触媒コンバーターやフィルターをモデル化.

4気筒エンジンモデルの温度と流れの詳細図.

熱力学

混合物の性質が組成, 圧力, 温度にどのように依存するかを解析.

タンパク質吸着モデルの詳細図.

混合, 分離

ファインケミカル産業における混合, 分離プロセスを設計.

充填床反応器モデルの溶質濃度の詳細図.

環境科学

固定多孔質床などにおける輸送, 吸着をモデル化, 排水中の汚染物質の除去を調査.

中空糸型透析装置の汚染物質輸送と濃縮の詳細図.

医療技術

透析膜などの医療機器における各種部品の設計要件を試験.

薬物放出モデルの濃度詳細図.

製薬プロセス

化学および生物医薬のアプリケーションを設計, プロセスを最適化.

UHV/CVD モデルの分子フラックスフラクションの詳細図.

化学蒸着

ウェハー製造などの CVD プロセスにおいて, 吸着, 堆積による基板表面での成長をモデル化.

動電弁の濃度詳細図.

動電学的効果

カラムやその他の微小流体系における電気泳動分離, 輸送をモデル化.

モデリング戦略およびワークフローの概要

科学や工学の研究において反応系を現実的に記述する場合, プロセスや設計を理解し最適化するために, 輸送現象と化学反応の両方を取り入れる必要があることがよくあります. 化学反応工学モジュールは, 以下のような段階的なステップを含む化学および化学工学の調査における典型的なワークフローに合わせて調整されています:

  • Study reaction mechanisms in ideal, perfectly mixed systems
  • Calculate kinetic, thermodynamic, and transport properties
  • Extend the investigations to space-dependent systems
    • Transport of chemical species
    • Heat transfer
    • Fluid flow
    • Electrokinetic effects

上記のワークフローは, 化学反応を伴う様々な分野で, ナノテクノロジーやマイクロリアクターから環境研究, 地球化学まで, あらゆるスケールで適用することが可能です. モデルの定義から結果の提示までの全プロセスは, 透明性と再現性のためにソフトウェアに文書化されています.

化学反応工学モジュールの特長と機能

化学反応工学モジュールは, 0次元の完全混合系に続いて2次元および3次元の輸送現象をシミュレーションするための組み込みワークフローを提供します.

反応工学ノードが強調表示され, モノリス炉モデルのシミュレーション結果がグラフィックウィンドウに表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

反応速度論の定義

どのようなシステムでも, モデリングの最初のステップは物質収支を確立することです. 反応工学インタフェースを使用すると, 化学式を入力し, システム内の化学種の物質収支方程式とシステムのエネルギー収支方程式を自動的に得ることができます. 反応機構を入力すると, 基本ステップについては, 化学種濃度の関数としての反応速度式が質量作用の法則から自動的に導き出されます. また, 化学種濃度と温度の関数としての反応速度の解析式を自分で入力することもできます.

物質収支と反応速度式から常微分方程式が得られ, ソフトウェアによって自動的に定式化されます. 完全に混合されたバッチリアクターの場合, 方程式の解は, 時間の経過に伴う反応混合物の組成を示します.

モデルビルダーのクローズアップ図. 実験ノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウに DNA 分解モデルの1D プロットが表示されています.

パラメーター推定

化学反応や反応機構の研究では, 通常, 周波数係数, 活性化エネルギー, および実験的観測を定量的に説明するその他のパラメーターを推定することが必要です. 化学反応工学モジュールと最適化モジュールを組み合わせることで, 化学反応速度論専用のインターフェースを利用することができます.

ある想定された反応機構に対するモデルパラメータを推定するための典型的なワークフローは以下の通りです. まず, 速度定数など推定したいモデルパラメーターを選択し, パラメーターの初期値やスケールを入力します. 次に, 実験データを含むファイルにリンクして, データ列をモデル変数と照合します. パラメータ推定を実行したら, ポスト処理でモデルの結果と実験値を比較することができます.

グラフィックウィンドウにある Transport of Concentrated Species の設定と重合マルチジェットモデルのクローズアップ図.

化学種輸送

反応系における輸送現象のモデリングには, いわゆる多成分輸送モデルで化学種を記述することが必要です. 化学反応工学モジュールには, 多成分輸送のための洗練されたモデルが濃縮種の輸送インターフェースに含まれており, 多成分輸送のための Maxwell-Stefan 式と混合平均モデルのいずれかを選択することができます. 希薄溶液の場合, 溶液中の相互作用が溶質と溶媒の相互作用に支配されているケースを扱う希薄種輸送インターフェースも選択できます. 化学種の輸送方程式は, 例えばクヌーセン拡散を含めるために, 多孔質媒体にも使用することができます. また, ダスティーガスの拡散モデルも搭載しています. 反応工学インターフェースから空間依存のモデルを生成する場合, 輸送特性だけでなく物質収支モデルの定式化も化学方程式から直接取得することができます.

流体中の熱伝達ノードがハイライト表示され, グラフィックスウィンドウにエンジン冷却水モデルの速度等級が表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

熱伝達

化学反応工学モジュールに含まれる伝熱機能は, 伝導, 対流, 輻射による熱伝達を考慮することができます. 輻射項は表面から周囲への輻射によって与えられますが, 表面から表面への輻射と参加媒体の輻射には熱伝達モジュールが必要です. 化学反応工学モジュールの熱伝達機能には, 流体, 固体, および多孔質媒体における熱伝達が含まれます. 熱伝導モデルの定式化, および熱力学と輸送特性は, 反応工学インターフェースから空間依存モデルを生成する際に化学方程式から直接得ることができます.

グラフィックウィンドウに表示された熱力学システムの設定と位相エンベロープモデルの1D プロットのクローズアップ図.

熱力学的特性データベース

化学反応工学モジュールには熱力学的特性データベースがあり, 気体混合物, 液体混合物, 平衡状態の気液系(フラッシュ計算), 液液系, 平衡状態の気液液系の特性計算が可能です. 密度, 熱容量, 生成エンタルピー, 反応エンタルピー, 粘度, 熱伝導率, 二元拡散率, 活性, フガシティーを計算できる熱力学モデルが豊富に用意されています. この機能の詳細については, 化学反応工学モジュールに含まれる液体, 気体特性モジュールのページをご覧ください.

熱力学的特性データベースは, 特定の反応系に存在する化学種, 所望の特性, および熱力学モデルを選択することで, いわゆる特性パッケージを作成することができます. 反応機構を定義する場合, 反応物および生成物を熱力学的特性データベースで定義された特性パッケージの化学種とマッチングさせることができます. このマッチングにより, 物性パッケージが生成する関数や方程式が, 反応系のモデルに自動的にリンクされます.

COMSOL Multiphysics の UI. 空間依存モデルの生成ノードを選択したモデルビルダー, 対応する設定ウィンドウ, およびオーロラボレアリスカラーテーブルで示したグラフィックスウィンドウの蛇行したリアクターの濃度を示しています.

空間依存モデルの生成

完全混合系のモデルができたら, このモデルを使用して, 空間依存系の物質収支, エネルギー収支, 運動量収支を自動的に定義することができます. 反応工学インターフェースで計算された輸送特性 (例えば, 熱容量, 熱伝導率, 粘性, 二元拡散率) は, 化学種の輸送, 熱伝達, 流体の流れのための物理インターフェースに自動的に転送されます. この機能により, 2D, 2D 軸対称, および3D モデルに移行する前に, 化学反応の動力学および熱力学式を洗練し, 完成させることができます.

モデルビルダーのクローズアップ図. 希薄種の輸送ノードがハイライトされ, グラフィックスウィンドウに多孔質リアクターモデルが表示されています.

流体の流れ

化学反応工学モジュールに含まれる流体機能では, 層流および多孔質媒体流を扱うことができます. また, CFD モジュールと組み合わせることで, 乱流中の化学種の移動をモデリングするためのカップリングが用意されています. 反応工学インターフェースから空間依存のモデルを生成する際, 粘度と密度だけでなく, 流体モデルの定式化を化学方程式から直接取得することができます.

輸送特性の設定と動電弁の濃度をグラフィックウィンドウでクローズアップした図.

動電学的効果

希釈種や濃縮種の輸送をモデリングする場合, 電解質やイオンのモデリングのために, 電場を輸送の駆動力として含めることができます. ネルンストプランク および電気泳動輸送インターフェースは, 電解質のモデリング専用で, 電解質中の電荷平衡に対するポアソン方程式または電解質の電荷バランスの電気泳動条件を含めることができます. この機能の応用として, 動電弁, 電気浸透流, 電気泳動などがあります.

表面反応と不均一系触媒反応

表面反応は, 不均一系触媒や化学気相成長などの表面成膜プロセスで代表的な反応です. 例えば, アンモニアを製造するハーバーボッシュ法などのバルク化学工業や, 表面に吸着した微量のトレーサーを電気的特性の変化などで検出するマイクロセンサーなどに見られるものです.

輸送, 反応モデルでは, 表面反応はバルクの輸送方程式と反応方程式の境界条件と結合した境界方程式として扱うことができます. これはミクロスケール以下, あるいはミクロスケールまでのモデルで典型的なものです. あるいは, 多孔質媒体では, これらの反応は均一反応と同様の方法で扱われますが, 比表面積 (多孔質材料の単位体積あたりの面積) と有効輸送特性が含まれます. これは, ミクロスケールとマクロスケールの両方のモデル, いわゆるマルチスケールモデルに典型的なものです.

化学反応工学モジュールには, 境界面における表面反応と, 均質化された多孔質触媒上に分布する表面反応の両方のケースに対応する不均一系触媒の定式化が用意されています. 多孔質触媒の場合, バイモーダルな細孔構造を表現するマルチスケールモデルがあらかじめ定義されています. このような構造は, マクロポーラスペレットベッドを形成するために充填されたマイクロポーラスペレットで構成されていることがあります.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

"COMSOL へコンタクト" ボタンを押し, あなたの連絡先詳細と特別なコメントや質問があればそれを記入して, 送信していただくだけで済みます. 1営業日以内に我々のセールス担当者から返事が届きます.

次のステップ:

ソフトウェアデモをリクエスト