化学反応工学モジュール

Model Mass and Energy Balances with the Chemical Reaction Engineering Module

Chemical Reaction Engineering Module

化学反応が起きているプレート反応器と化学的な反応は、反応器内の2つのポイントで交わります。

化学とプロセス産業の全てのユニットオペレーションを完璧に

化学反応器、ろ過装置、ミキサや他のプロセスの最適化は、化学反応工学モジュールを使用して実現可能になります。そのモジュールには、表面上や固相内の気体、流体、多孔質媒体もしくは全てのコンビネーションなどあらゆるタイプの環境における任意の化学速度が分析可能な材料輸送や伝熱のシミュレーションツールが含まれています。皆さんの周囲の環境に密接な”プロセスユニット”や”化学反応”などが関係している全ての化学的ファセット、プロセス産業、そして環境工学にいたるまでを完璧にカバーすることができます。

化学動力の対流と拡散

化学反応工学モジュールは、低濃度や濃縮液内における材料輸送を定義した直感的ユーザーインターフェースや化学種の任意数の対流、拡散、イオン移動を介した混合物を含んでいます。これらは、アレニウス方程式で容易に定義することが可能で、可逆、不可逆、平衡反応速度の定義との連成が可能です。また動力学の速度濃度や温度の影響をうける任意の速度則とも連成が可能です。化学反応を定義するインターフェースは、化学式として分かりやすく、また方程式に関しては、まるで紙の上に書いているように入力することが出来ます。COMSOLは、質量作用の法則を使用して適切な反応式を設定します。この反応式は、ご自身の動力式に変更や訂正を行うことが可能です。それらが均一なのか不均一か、発生場所がバルク内もしくは表面なのかなどには関係なく、反応式中の化学量論は自動的に物質とエネルギーバランスを定義します。


事例紹介

  • Round Jet Burner: Simulation of turbulent combustion in a round jet burner. Results show the temperature and CO2 mass fraction in the reacting jet. Round Jet Burner: Simulation of turbulent combustion in a round jet burner. Results show the temperature and CO2 mass fraction in the reacting jet.
  • Biosensor Flow Cell: Simulation of a flow cell containing micropillars coated with an active material to support the adsorption of an analyte. Results show velocity streamlines and the concentration distribution of the adsorbed species. Biosensor Flow Cell: Simulation of a flow cell containing micropillars coated with an active material to support the adsorption of an analyte. Results show velocity streamlines and the concentration distribution of the adsorbed species.
  • Tubular Reactor Simulator: This is an app that simulates a tubular gas reactor, chemical reactions take place in a stream of gas that carries reactants from the inlet to the outlet. Mass and energy transport occur through a convection-diffusion and convection-conduction processes. Tubular Reactor Simulator: This is an app that simulates a tubular gas reactor, chemical reactions take place in a stream of gas that carries reactants from the inlet to the outlet. Mass and energy transport occur through a convection-diffusion and convection-conduction processes.
  • Water Purification by Silver Complexation: Many industrial processes leave remainders of toxic dissolved metal ions in process flows. This model example shows a purification reactor where silver ions are complexated to diamine-silver for removal. Water Purification by Silver Complexation: Many industrial processes leave remainders of toxic dissolved metal ions in process flows. This model example shows a purification reactor where silver ions are complexated to diamine-silver for removal.
  • Tubular Reactor Simulator: This is an app that simulates a tubular gas reactor, chemical reactions take place in a stream of gas that carries reactants from the inlet to the outlet. Mass and energy transport occur through a convection-diffusion and convection-conduction processes. Tubular Reactor Simulator: This is an app that simulates a tubular gas reactor, chemical reactions take place in a stream of gas that carries reactants from the inlet to the outlet. Mass and energy transport occur through a convection-diffusion and convection-conduction processes.
  • Packed Bed Reactor: This model calculates the concentration distribution of the reactor gas that flows around catalytic pellets, by also using an extra dimension to model its concentration distribution inside each of the porous catalytic pellets. Shown are the velocity streamlines at the bottom part of the reactor, where the color plot indicates the concentration. Packed Bed Reactor: This model calculates the concentration distribution of the reactor gas that flows around catalytic pellets, by also using an extra dimension to model its concentration distribution inside each of the porous catalytic pellets. Shown are the velocity streamlines at the bottom part of the reactor, where the color plot indicates the concentration.

輸送現象の完成

外部ソースの熱力学プロパティを計算するツールは、化学反応工学モジュール内に含まれており、材料輸送、化学反応器への伝熱やエンタルピーバランスの連成は補強されます。運動量輸送を定義するユーザーインターフェースもまた、プロセス輸送現象の完全定義を実装することができます。ナビエ・ストークス方程式、ダルシーの法則、ブリンクマン方程式により定義される層流、多孔質メディアフローも含まれます。ご自身のモデリングをCFD モジュール もしくは伝熱モジュールと連成することにより、乱流、多相流、非等温流、放射伝熱を実装可能です。

化学反応プロセス最適化の不可欠さ

化学反応工学モジュールは、従事している工程内で材料輸送や化学反応が不可欠な化学、工程、電力、薬学、ポリマーそして食品の産業に携わるエンジニアや化学者たちに応用可能になっています。ラボで実装されるチューブのテスト解析から工場設備内の化学反応の徹底的調査に至るまでのアプリケーションを解析可能なツールが搭載されています。すでに内蔵されたパラメーター推測機能と実験データの比較を使用しながら化学動力を正確に定義するため、化学動力は基本的には管理された環境の中でシミュレートされます。化学反応工学モジュールは、個別解析のために数多くの搭載済み反応器タイプを提供します。

  • 回分式反応器と半回分式反応器
  • 連続かくはん槽型反応器 (CSTR)
  • 栓流反応器

これらは、等温、非等温、そして断熱状態と同様に恒量や一定容積の適切な定義も全て提供します。工程環境にある最適化動力との連成に最適で、このシンプルなモデリングによりシステムの理解を深めることができ、また無数のオペレーティングコンディションのシミュレーションの実現を可能にします。全ての知識を終結し上記を実現した次のステップは、ユニットデザインの最適化です。そして、完全2Dの線対称もしくは3Dモデリングを介した工程状態を微調整します。Generate Space-Dependent Model の特性は、システムの 流体や化学反応速度とともに物質とエネルギーバランスとも完全連成が可能だということです。

化学反応工学モジュール

機能

  • 化学式ベースで反応式を生成する自動理想リアクターモデル
  • 希釈混合物や濃縮混合物内の質量輸送
  • 拡散、対流、イオン移動における質量輸送
  • 多成分質量輸送
  • Fickian、Nernst-Planck、Maxwell-Stefan および混合平均輸送
  • ソレー効果を構成する多成分拡散性
  • 薄層における拡散
  • 拡散バリア
  • 多孔質媒体における種輸送と伝熱
  • 質量輸送パラメーターの多孔性補正モデル
  • 薄層多孔質媒体流
  • Hagen-Poiseuille 方程式
  • ナビエ・ストークス、ダルシーの法則、ブリンクマン方程式
  • 反応流
  • 表面拡散と反応
  • 表面化学種の吸着、吸収、沈殿
  • マルチスケール輸送と反応機能
  • 等温/非等温環境における化学反応速度論の任意定義で無制限の数の化学種を使用可能
  • アレニウスモデル
  • 表面における吸着等温線、化学種の吸収/沈殿
  • 自由/多孔質媒体反応流
  • 速度論データ、熱力学、輸送特性のための CHEMKIN® ファイルインポート機能
  • CAPE-OPEN 形式による熱力学データベースのサポート

用途

  • バッチ式反応器と高圧反応器
  • 生物反応器と発酵槽
  • 生化学、生化学工学、食品科学
  • 化学反応器の設計、サイズ設定、最適化
  • クロマトグラフィー
  • 連続反応器と CSTR
  • 分離器、洗浄機、晶析装置、浸出ユニットの操作
  • 電気化学工学
  • 浸透、電気泳動、電気浸透
  • 排気後処理と放出抑制
  • 濾過と沈殿
  • 均一および不均一触媒反応
  • 触媒による選択的還元と SCR 触媒
  • マイクロフルイディクスとラボオンチップ (lab-on-chip) 装置
  • モノリシック反応器と触媒コンバーター
  • 多成分と薄膜輸動
  • 充填床反応器
  • 医薬品合成
  • 栓流反応器設計と管型反応装置
  • 重合反応速度論と製造
  • 予熱バーナーと内燃エンジン
  • 水素改質装置
  • 半導体製造と CVD

Material Databases

ファイルフォーマット 拡張子 読込み 書込み
CHEMKIN®1 .dat, .txt, .inp3 はい いいえ
CAPE-OPEN (direct connection)1 n/a N/A N/A
LXCAT file2 .lxcat,.txt はい いいえ

1 Any file format is allowed, these are the most common extensions
2Requires the Plasma Module
3Any extension is allowed; These are the most common extensions

COMSOL がサポートする全てのファイルフォーマットを見る


Data Resources:

Downloadable Mechanism, Thermodynamic and Transport Files
Other Data Resources

Modeling the Electrochemistry of Blood Glucose Test Strips

Simulating the Release Mechanism in Drug-Eluting Stents

A Multiscale 3D Packed Bed Reactor

Porous Reactor with Injection Needle

Separation Through Dialysis

Dissociation in a Tubular Reactor

Chemical Vapor Deposition of GaAs

Analysis of NOx Reaction Kinetics

Transport in an Electrokinetic Valve

Syngas Combustion in a Round-Jet Burner

Biosensor Design

Liquid Chromatography

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