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使用數學模型 (Mathematical Models) 能協助科研人員、研發工程師與設計工程師更透徹地理解各類化學反應系統的設計，以及所涉及的化學程序與現象。Chemical Reaction Engineering Module 為 COMSOL Multiphysics® 平台的附加元件，提供建立、檢視與編輯化學方程式 (Chemical Equations)、動力學方程式 (Kinetic Expressions)、熱力學函數 (Thermodynamic Functions) 與傳輸方程式 (Transport Equations) 的強大功能。當完成模型驗證後，便可利用此模組來分析不同操作條件與設計，並進一步掌握反應系統與傳輸現象的精髓。透過為各種不同輸入條件求解模型方程式，您能更完整地洞悉待研究系統的行為與特性，進而優化化學程序與設計。

能用 Chemical Reaction Engineering Module 做些什麼？

運用 COMSOL® 軟體，模擬各種產業領域中與化學反應及傳輸現象相關的應用情境。

大宗化學品 (Bulk Chemicals)
模擬高流量連續攪拌式混合器 (Continuous Stirred Mixers) 與攪拌槽反應器 (Tank Reactors)，針對大規模生產的應用進行分析與優化。
精細化學品 (Specialty Chemicals)
探討反應動力學 (Reaction Kinetics) 與質量傳輸 (Mass Transport)，並用於設計抽取 (Extraction) 及蒸餾 (Distillation) 等精細化工程序，協助開發高價值精細化產品。
生物科技與藥品 (Biotechnology and Pharmaceuticals)
透過模擬藥物在組織與膜間的傳輸與反應過程，優化生技及製藥應用的產品設計與製程，例如組織輸藥、釋放速率與藥效評估。
食品加工 (Food Processing)
模擬殺菌 (Pasteurization) 過程中的熱傳 (Heat Transfer) 與化學反應，並可應用於食品產業如乾燥 (Drying)、烹調 (Cooking) 與發酵 (Fermentation) 等不同製程的研究與優化。
石化化工 (Petrochemical)
分析填充床反應器 (Packed Bed Reactors) 中的觸媒失活 (Catalyst Deactivation) 與壓力損失 (Pressure Loss) 問題，協助最佳化反應器設計與操作條件。
環境技術 (Environmental Technology)
研究如何利用吸附 (Adsorption)、膜過濾 (Membrane Filtration) 與結晶 (Crystallization) 等分離程序，去除廢水與廢氣中的污染物，達到更高效的淨化效果。
半導體 (Semiconductors)
探討化學氣相沉積 (CVD, Chemical Vapor Deposition) 裝置中流體流動 (Fluid Flow) 與反應動力學，評估其在 CVD 船型反應器 (Boat Reactor) 中的成長速率，以實現關鍵製程的最佳化。
消費性產品 (Consumer Products)
分析層流 (Laminar Flow) 下的靜態混合器 (Static Mixers) 設計，例如在環氧樹脂 (Epoxies)、矽膠 (Silicones) 和壓克力樹脂 (Acrylic Resins) 等配方混合過程中，協助達成理想的乳化特性。
聚合物(Polymers)
模擬聚合物製程中各種關鍵步驟，如反應物溶解 (Dissolution)、聚合 (Polymerization)、固化 (Curing) 以及最終產物過濾 (Filtration)，全面評估與優化生產效益。
農業化學品 (Agricultural Chemicals)
針對肥料、農藥與除草劑等生產流程，分析最佳化的反應條件與反應器設計，提升農用化學品之品質與生產效率。

建模策略與流程總覽

Overview of the Modeling Strategy and Workflow

在科學與工程領域中，若要對真實的化學反應系統進行精準描述，往往必須同時考量傳輸現象 (Transport Phenomena) 與化學反應 (Chemical Reactions)。Chemical Reaction Engineering Module 內建了一套完整功能，支援典型的化工與化學研究流程，包括以下漸進式步驟：

1.    在理想且完美混合 (Perfectly Mixed) 系統中研究反應機制 (Reaction Mechanisms)

2.    計算動力學 (Kinetic)、熱力學 (Thermodynamic) 與傳輸性質 (Transport Properties)

3.    將研究範圍拓展至空間相依 (Space-Dependent) 的系統組件，包含：

  • 化學物種的傳輸 (Transport of Chemical Species)

  • 熱傳 (Heat Transfer)

  • 流體流動 (Fluid Flow)

  • 電動力效應 (Electrokinetic Effects)

    這樣的工作流程不僅能應用在涉及化學反應的多種領域，也可用於不同尺度 (Scales) 的模擬，例如奈米科技 (Nanotechnology)、微反應器 (Microreactors)、環境研究 (Environmental Studies) 與地球化學 (Geochemistry) 等。從模型定義到結果呈現的整個過程，都能在軟體中被紀錄與追蹤，提升透明度與重現性。


Chemical Reaction Engineering Module 的特色與功能

在 0D 完美混合系統到 2D、3D 傳輸現象的建模流程

定義反應動力學 (Defining Reaction Kinetics)

建立任何系統模型的第一步，通常是確立物質衡算 (Material Balances)。在 Reaction Engineering 介面中，只要輸入化學方程式 (Chemical Equations)，就能自動產生化學物種 (Chemical Species) 的物質衡算方程式與能量衡算 (Energy Balance) 方程式。

  • 自動產生動力學方程式 (Kinetic Expressions)：若定義了反應機構 (Reaction Mechanism)，軟體會依據質量作用定律 (Mass Action Law) 為每個基元步驟 (Elementary Step) 自動推導動力學方程式。
  • 自訂反應速率方程式 (Reaction Rate Expressions)：若需要更複雜或自定義的速率模型，也可輸入自行撰寫的數學表達式。

將這些動力學與物質衡算方程式建立後，軟體會自動生成描述反應系統的常微分方程式 (Ordinary Differential Equations, ODEs)。以完美混合批次反應器 (Perfectly Mixed Batch Reactor) 為例，求解後即可得知各化學物種在反應過程中的濃度變化。

熱力學性質資料庫 (Thermodynamic Properties Database)

Module 內建的熱力學性質資料庫 (Thermodynamic Properties Database) 可用來計算：

  • 氣體混合物 (Gas Mixtures)
  • 液體混合物 (Liquid Mixtures)
  • 氣液平衡,驟沸 (Vapor–Liquid Equilibrium, Flash Calculations)
  • 液液平衡 (Liquid–Liquid Equilibrium)
  • 氣液液平衡 (Gas–Liquid–Liquid Equilibrium)

可透過多種熱力學模型計算密度、比熱容、生成焓 (Enthalpy of Formation)、反應焓 (Enthalpy of Reaction)、黏度 (Viscosity)、熱傳導係數 (Thermal Conductivity)、二元擴散係數 (Binary Diffusivity)、活度 (Activity) 與逸度 (Fugacity) 等。

  • 屬性套件 (Property Package)：可依據特定反應系統中所含的化學物種、所需的物理性質與熱力學模型，自行建立專屬的屬性套件。

當定義好反應機構後，可將資料庫中的化學物種與反應物、生成物對應起來，系統便會自動連結熱力學函數與方程式到反應模型中。

產生空間相關模型 (Generating Space-Dependent Models)

若已在完美混合系統中建立可行的模型，接下來就可自動定義空間相關系統的物質、能量與動量平衡 (Momentum Balances)。在 Reaction Engineering 介面中所計算出的傳輸性質 (例如：比熱容、熱傳導係數、黏度與二元擴散係數)，會自動傳遞至化學物種傳輸 (Transport of Chemical Species)、熱傳 (Heat Transfer) 與流體流動 (Fluid Flow) 等物理介面。

  • 先在 0D 驗證反應動力學與熱力學，再拓展至 2D、2D 軸對稱 (2D Axisymmetric) 與 3D 模型，大幅減少模型搭建與修正的時間。

參數估計 (Parameter Estimation)

在分析化學反應 (Chemical Reactions) 與反應機構 (Reaction Mechanisms) 時，往往需要估計模型中的頻率因子 (Frequency Factors)、活化能 (Activation Energy) 等參數，使模擬結果與實驗數據相符。Chemical Reaction Engineering Module 內建了專用的參數估計工具，可利用多組實驗數據同步優化參數。

  • 參數選取與初始猜測 (Initial Guess)
  • 匯入實驗數據並指定對應之模型變數 (Model Variables)
  • 選擇最佳化方法 (Optimization Method) 並觀察計算過程
  • 結果比對實驗數據以確認模型可信度

化學物種傳輸 (Chemical Species Transport)

在反應系統中，若要進行傳輸現象的模擬，需要使用多組分傳輸 (Multicomponent Transport) 模型。Chemical Reaction Engineering Module 提供以下多種介面：

  • Transport of Concentrated Species：內建 Maxwell–Stefan 與混合平均 (Mixture-Averaged) 等高階多組分傳輸模型。
  • Transport of Diluted Species：適用於溶質–溶劑交互作用為主的稀溶液 (Diluted Solution) 狀態。
  • Dispersed Two-Phase Flow with Species Transport：可模擬不互溶 (Immiscible) 兩相之間的化學物種傳輸。
  • Knudsen 擴散 (Knudsen Diffusion) 與 Dusty Gas Diffusion 等模式，也可直接在多孔介質 (Porous Media) 中納入考量。

從 Reaction Engineering 介面產生的空間相關模型，也能自動帶入質量平衡模型與相應的傳輸性質，縮短設定流程。

流體流動 (Fluid Flow)

Chemical Reaction Engineering Module 的流體流動功能可處理層流 (Laminar Flow) 與多孔介質 (Porous Media) 內的流動。若搭配 CFD Module，還能直接使用既有的化學物種傳輸與湍流 (Turbulent Flow) 耦合模型。

  • 從 Reaction Engineering 介面自動生成流體流動方程式 (Momentum Balance)，並將黏度 (Viscosity) 與密度 (Density) 直接帶入空間相關模型。

電動力效應 (Electrokinetic Effects)

在稀溶液或高濃度溶液的化學物種傳輸模型中，電場 (Electric Field) 也可以成為傳輸的驅動力。Module 中針對電解質 (Electrolytes) 建立了 Nernst-Planck 與 Electrophoretic Transport 介面，可選擇搭配泊松方程式 (Poisson’s Equation) 或電中性 (Electroneutrality) 條件進行電荷平衡計算。常見的應用範例包含電動力閥 (Electrokinetic Valves)、電滲流 (Electroosmotic Flow) 與電泳 (Electrophoresis) 等。

熱傳 (Heat Transfer)

Chemical Reaction Engineering Module 內建的熱傳功能，可處理傳導 (Conduction)、對流 (Convection) 與輻射 (Radiation) 等各種模式。其中，輻射項預設為表面對環境 (Surface-to-Ambient) 輻射；若需模擬表面對表面 (Surface-to-Surface) 或參與性介質 (Participating Media) 的輻射，則需要搭配 Heat Transfer Module。

  • 熱傳範圍：流體、固體與多孔介質。
  • 從 Reaction Engineering 介面自動取得熱力學與傳輸性質，快速建立空間熱傳模型。

表面反應與多相觸媒 (Surface Reactions and Heterogeneous Catalysis)

表面反應 (Surface Reactions) 常見於多相觸媒 (Heterogeneous Catalysis) 與化學氣相沉積 (CVD, Chemical Vapor Deposition) 等程序，如哈柏法 (Haber–Bosch Process) 製氨、微感測器 (Microsensors) 的痕量物質吸附偵測等。

  • 在傳輸–反應 (Transport-Reaction) 模型中，表面反應通常透過邊界方程式 (Boundary Equations) 與體相傳輸的邊界條件 (Boundary Conditions) 耦合。
  • 在多孔介質 (Porous Media) 中的表面反應，可視為均相 (Homogeneous) 反應模式的延伸，藉由考量比表面積 (Specific Surface Area) 與有效傳輸性質 (Effective Transport Properties)。
  • Module 內建多相觸媒模型 (Heterogeneous Catalysis Models)：可針對邊界表面反應或分佈於均質化多孔介質 (Homogenized Porous Catalyst) 的表面反應進行模擬。並支援多尺度 (Multiscale) 模型，用於描述包含微孔 (Microporous) 與巨孔 (Macroporous) 結構的觸媒床。

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