化學反應工程模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對化學反應工程模組的用戶引入了新的物理場介面,用於模擬多孔介質反應流、裂隙中的化學物種輸送、使用Nernst-Planck 方程和泊松方程的電荷分離以及電泳流。請閱讀以下內容,進一步了解化學反應工程模組的所有更新。

 

新的多孔介質反應流介面

新增的多孔介質反應流多物理場介面,大大簡化了填充床反應器、整體式反應器以及其他多相催化反應器的建模。此介面中定義了多孔介質流的擴散、對流、遷移和化種物質反應,無需設置單獨的介面再將其耦合。此多物理場介面自動結合非均相催化的模擬與多孔介質流和稀釋學物種輸送(或濃縮化學物種輸送)所需的所有耦合和物理場介面。

 

由於此多物理場介面也包含了層流和紊流中的類似模擬,因此您可以切換或定義與其他各類流動模型的新耦合,而不必對相關的物理現象重新定義和設置新介面。在設定視窗中可以選擇要模擬的流動類型以及化學物種輸送,而不會丟失任何已定義的材料屬性或反應動力學。這意味著,您可以在一個反應器中比較自由介質和多孔介質中的不同反應器結構或模型流動,即使這兩種流態連續出現亦是如此

有關使用新的多孔介質反應流 介面的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Reactors_with_PorousCatalyst_porous_reactor

新的裂隙中的稀釋物種輸送介面

通常來說,裂隙的厚度相對於其長度和寬度尺寸非常小。在模擬這類裂隙中的化學物種輸送時必須對裂隙表面的厚度進行網格生成,而由於裂隙尺寸方面的較大差異,使其寬高比非常大,因此這類模擬通常非常困難。新的裂隙中的稀釋物種輸送介面將裂隙視為殼,因此僅需要將橫向尺寸生成為表面網格。

 

此介面支援定義平均裂隙厚度,以及裂隙可視為多孔結構這類情況中的孔隙率。對於化學物種輸送,此介面中可以定義有效的擴散率模型來包含孔隙率效應。對流傳遞可以耦合到薄膜流動 介面,或通過包含您自己的方程來定義通過裂隙的流體流動。此外,還可以將化學反應定義為發生在裂隙內、其表面上或在裂隙周圍的多孔介質中。

 

多孔介質稀釋物種輸送介面中的裂隙表面

在裂隙、多孔三維結構中進行傳遞的情況下,新的裂隙邊界條件支援模擬薄裂隙中的傳遞,而不必將其生成網格為三維實體。裂隙 邊界條件包含在多孔介質稀釋物種輸送 介面中(見圖),且其設置與裂隙中的稀釋物種輸送 介面中的相同(詳見前面的描述)。流體流動和化學物種輸送在三維多孔介質結構以及裂隙中的流體流動和化學物種輸送之間無縫耦合。

 

下圖顯示了多孔反應器模型中的濃度場。此模型中,扭曲的裂隙將反應物從左到右“洩漏”到較遠的多孔催化劑中,其速度要比多孔介質傳遞的速度快。這是因為與周圍的多孔催化劑相比,裂隙表面的平均孔隙率要高得多,從而得到更快的質量傳遞速率。

針對CAPE-OPEN資料庫而更新的熱力學功能

此版本對定義熱力學功能以及CAPE-OPEN 兼容的資料庫中的屬性套件的用戶界面作了改進,現在將化學反應工程模組連結到外部資料庫更簡單和便捷了。

新的Nernst-Planck-Poisson方程介面

Nernst-Planck 方程可以描述離子在電場作用下受擴散、遷移和對流驅動在電解質中進行的傳遞。在電場非常大的情況中,電解質中很可能存在局部電荷分離(與電中性的偏差),例如靠近金屬或陶瓷的表面。電荷分離可以用Nernst-Planck方程以及表示電荷守恆的泊松方程進行模擬。最新版的化學反應工程模組包含新增的Nernst-Planck-Poisson方程介面,用於模擬這些系統。

 

新的電泳輸送介面

新的電泳輸送介面可用於研究水溶劑中弱酸、鹼和兩性電解質的傳遞。此物理場介面通常用於模擬各種電泳模式,如,區帶電泳、等速電泳、等電聚焦以及移動界面電泳,適用於有關多種酸-鹼平衡的任意水系統。

Wistia video thumbnail - Animation_zone_electrophoresis
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將兩種蛋白質的混合樣本分離成兩個清晰的濃度峰值的區帶電泳

 

 

 

 

 

 

 

新教學案例:區帶電泳

本教學案例介紹電泳輸送介面,這是一個用於分離含有苯胺和吡啶樣本的區帶電泳問題。

 

如需區帶電泳教學案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/zone_electrophoresis

 

更新的教學案例:等電位分離

本例使用電泳輸送介面和層流介面對自由流動的電泳器件中的等電位分離建模。通過電場中的遷移傳遞可以從含有四種不同蛋白質的流體分離其中一種蛋白質的過程。

 

如需更新的“等電位分離”教學模型,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Chemical_Reaction_Engineering_Module/Electrokinetic_Effects/isoelectric_separation