バルク化学
高流量条件における空間依存の連続撹拌ミキサーおよびタンク反応器をシミュレーション.
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
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.
特殊化学品
反応速度論および物質輸送を解析し, 抽出や蒸留プロセスなど, ファインケミカル産業向けのプロセスを設計.
バイオテクノロジーおよび医薬品
組織内および膜を横断する薬物の輸送と反応をモデル化することで, バイオテクノロジーおよび医薬品分野の設計とプロセスを最適化.
食品加工
低温殺菌中の伝熱および反応を解析したり, 乾燥, 調理, 発酵など食品産業におけるその他のプロセスを検討.
石油化学
充填ベッド反応器における触媒の失活および圧力損失をモデル化.
環境技術
吸着, 膜ろ過, 結晶化などの分離プロセスを用いて, 排出流中の汚染物質の除去を解析.
半導体
CVD ボート反応器において, 流体流れおよび反応速度論の関数としての化学気相成長 (CVD) 速度を解析.
消費者製品
層流用のスタティックミキサー (エポキシ, シリコン, アクリル樹脂用ミキサーなど) を設計し, 所望のエマルション特性を実現.
ポリマー
反応物の溶解, 重合反応, 硬化反応, 生成物流のろ過など, ポリマー製造プロセスのさまざまな側面を解析.
農業用化学品
肥料, 殺虫剤, 除草剤の製造における最適なプロセス条件および反応器設計を検討.
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:
- 理想的で完全混合された系における反応機構の解析
- 反応速度論, 熱力学, 輸送特性の計算
- 空間依存系への拡張:
- 化学種の輸送
- 伝熱
- 流体流動
- 電気動力学的効果
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.
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.
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.
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.
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.
パラメーター推定
化学反応系および反応機構の解析は通常, 実験での観測結果を定量的に記述し得る頻度因子, 活性化エネルギー, その他のパラメーターのパラメーター推定に基づいて行われます. 化学反応工学モジュールには, 複数の実験のデータを使用してこれらのパラメーターを最適化するように設計された, パラメーター推定専用の機能が含まれています.
モデルパラメーターの推定における一般的なワークフローは次のとおりです: まず, 推定するモデルパラメーター (反応速度定数など) を選択し, パラメーターの初期値とスケールを定義します. 次に, 実験データをインポートし, 適切な変数名または式を入力することで, データ列をモデル変数に関連付けます.
次に, 最適化手法を選択して計算します. 最適化の進行状況は計算中に確認できます. 最適なパラメーター値が見つかったら, 結果を実験測定値と比較できます.
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.
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.
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.
シミュレーションのニーズはそれぞれ異なります.
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, ぜひ当社までお問い合わせください. 営業担当者との打ち合わせを通じて, 各個人に向いたお勧めや文書化されたモデル事例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 へお問い合わせ" ボタンをクリックしてください. あなたの連絡先情報およびご意見やご質問をご入力のうえ送信してください. 1営業日以内に営業担当者よりご連絡いたします.
次のステップ:
ソフトウェアデモをリクエスト
