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數學模型説明科學家、開發人員和工程師理解反應系統的過程、現象和設計。化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 是 COMSOL Multiphysics® 軟體平台的附加模組，提供使用者介面用於創建、檢查和編輯化學方程式、動力學運算式、熱力學函數和傳輸方程式。開發經過驗證的模型後，可以用於研究反應系統和傳輸現象的不同操作條件和設計。反復解決模型方程式以獲得不同的輸入，導致對研究系統的真正理解。此外，化學反應工程模組與 COMSOL Multiphysics® 中的其他工具一起，提供了適用於化學系統優化和參數估計的先進數學和數值方法。


您可以使用化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 建模的內容

使用 COMSOL® 軟體模擬許多工業過程中的傳輸現象和化學反應

理想反應器 (Ideal Tank Reactors)

模擬理想系統，如批次反應器、半批次反應器、連續攪拌反應器、管式反應器和塞流反應器。

食品加工 (Food Processing)

研究和設計食品工業中的過程和現象。

汽車和石化 (Automotive and Petrochemical)

模擬排氣系統中的催化轉換器和篩檢程式。

熱力學 (Thermodynamics)

分析混合物性質如何依賴於組成、壓力和溫度。

混合和分離 (Mixing and Separation)

設計精細化工行業中的混合和分離過程。

環境科學 (Environmental Sciences)

通過模擬在固定多孔床等中的傳輸和吸附，研究廢水流中污染物的消除。

醫療技術 (Medical Technology)

測試醫療設備中各種元件的設計要求，如透析膜。

藥品制程 (Pharmaceutical Processes)

優化化學和生物製藥應用的設計和過程。

化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition)

模擬在 CVD 過程中，如晶圓製造，通過吸附和沉積在基板表面的生長。

電動效應 (Electrokinetic Effects)

模擬在柱子和其他結構中的電泳分離和傳輸。

 

建模策略和工作流程概述 (Overview of the Modeling Strategy and Workflow)

在科學和工程研究中，對反應系統的真實描述通常需要結合傳輸現象和化學反應，以理解和優化過程或設計。化學反應工程模組專為化學和化學工

 

程調查中的典型工作流程量身定制，涉及以下增量步驟：

  • 在理想的、完全混合的系統中研究反應機制

  • 計算動力學、熱力學和傳輸性質

  • 將調查擴展到空間依賴系統

  • 化學物種的傳輸

  • 熱傳遞

  • 流體流動

  • 電動效應

上述工作流程可以應用於許多涉及化學反應的不同領域，並且在所有尺度上，從納米技術和微反應器到環境研究和地球化學。從模型定義到結果展示的整個過程都在軟體中記錄，以確保透明度和可重現性。

定義反應動力學 (Defining Reaction Kinetics)

建模任何系統的第一步是建立物質平衡。使用反應工程界面 (Reaction Engineering interface)，您可以輸入化學方程式，並自動獲得系統中化學物種的物質平衡方程式和系統的能量平衡方程式。當您輸入反應機制時，從元素步驟的質量作用定律自動導出物種濃度的動力學表達式。您還可以輸入自己的分析表達式，將反應速率作為物種濃度和溫度的函數。

 

物質平衡和反應動力學表達式給出了由軟體自動構建的常微分方程式。對於一個完全混合的批次反應器，方程式的解給出了隨時間變化的反應混合物的組成。

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

化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 包含一個熱力學性質資料庫，您可以使用它來計算氣體混合物 (gas mixtures)、液體混合物 (liquid mixtures)、平衡狀態下的氣-液系統 (gas–liquid systems at equilibrium)（閃蒸計算）、液-液系統 (liquid–liquid systems) 和平衡狀態下的氣-液-液系統 (gas–liquid–liquid systems at equilibrium) 的性質。有多種熱力學模型可用於計算密度、比熱容 (heat capacity)、生成焓 (enthalpy of formation)、反應焓 (enthalpy of reaction)、黏度 (viscosity)、熱導率 (thermal conductivity)、二元擴散係數 (binary diffusivity)、活性 (activity) 和逸度 (fugacity)。在液體和氣體性質模組 (Liquid & Gas Properties Module) 頁面上閱讀更多關於此功能的信息，所有這些都包含在化學反應工程模組中。

 

熱力學性質資料庫可以用來為特定反應系統創建所謂的性質包 (property package)，方法是選擇系統中存在的化學物種、所需的性質和熱力學模型。在定義反應機制時，反應物和產物可以與由熱力學性質資料庫定義的性質包中的化學物種匹配。這種匹配自動將性質包生成的函數和方程與反應系統的模型連接起來。

生成空間依賴模型 (Generating Space-Dependent Models)

一旦您有了一個完全混合系統的工作模型，您可以使用這個模型來自動定義空間依賴系統的物質、能量和動量平衡。在反應工程界面 (Reaction Engineering interface) 中計算的傳輸性質（例如，比熱容、熱導率、黏度和二元擴散係數）自動轉移到化學物種傳輸、熱傳遞和流體流動的物理界面。這個功能允許您在轉移到二維、二維軸對稱和三維模型之前，完善和改進化學反應的動力學和熱力學表達式。

參數估計 (Parameter Estimation)

化學反應和反應機制的研究通常依賴於頻率因子、活化能和其他可能定量描述實驗觀察的參數的估計。化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 可以與優化模組 (Optimization Module) 結合使用，以便訪問專用的化學動力學界面。

 

對於某個假設反應機制的模型參數估計的典型工作流程如下。您首先選擇要估計的模型參數，例如速率常數，並為參數輸入初始值和尺度。然後，您可以鏈接到包含實驗數據的文件，將數據列與模型變量匹配。一旦您執行了參數估計，您可以在後處理中比較模型結果和實驗測量值。

化學物種傳輸 (Chemical Species Transport)

反應系統中傳輸現象的建模涉及所謂的多組分傳輸模型中化學物種的描述。化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 包含用於多組分傳輸的複雜模型，這些模型位於濃縮物種傳輸界面 (Transport of Concentrated Species interface) 中，您可以在此選擇 Maxwell–Stefan 公式或混合平均模型 (mixture-averaged models) 進行多組分傳輸。對於稀溶液，您還可以選擇稀溶液物種傳輸界面 (Transport of Diluted Species interface)，該界面處理溶液中的相互作用主要由溶質-溶劑相互作用主導的情況。分散的雙相流與物種傳輸界面 (Dispersed Two-Phase Flow with Species Transport interface) 可用於描述兩種不相容流體相之間的化學物種轉移。化學物種傳輸方程也適用於多孔介質，例如，包括克努森擴散 (Knudsen diffusion)。灰塵氣體擴散模型 (dusty gas diffusion model) 也包括在內。從反應工程界面生成空間依賴模型時，質量平衡模型的公式以及傳輸性質可以直接從化學方程式獲得。

流體流動 (Fluid Flow)

化學反應工程模組 (Chemical Reaction Engineering Module) 中包含的流體流動功能可以處理層流 (laminar) 和多孔介質流動 (porous media flow)。此外，當與流體力學模組 (CFD Module) 結合時，有現成的耦合用於模擬湍流中的化學物種傳輸。從反應工程界面生成空間依賴模型時，流體流動模型的公式以及黏度和密度可以直接從化學方程式獲得。

電動效應 (Electrokinetic Effects)

在模擬稀溶液或濃縮物種的傳輸時，您可以包括電場作為傳輸的驅動力，用於電解質和離子的模擬。Nernst-Planck 和電泳傳輸界面 (Electrophoretic Transport interfaces) 專用於電解質的模擬，並且可以包括泊松方程 (Poisson’s equation) 或電解質中電荷平衡的電中性條件 (electroneutrality condition) 的公式。這項功能的應用包括電動閥 (electrokinetic valves)、電滲流 (electroosmotic flow) 和電泳 (electrophoresis)。

熱傳遞 (Heat Transfer)

化學反應工程模組中包含的熱傳遞功能可以考慮導熱 (conduction)、對流 (convection) 和輻射 (radiation) 的熱傳遞。輻射項由表面到周圍環境的輻射給出，而熱傳遞模組 (Heat Transfer Module) 則需要用於表面到表面的輻射和參與介質中的輻射。化學反應工程模組中的熱傳遞功能包括流體、固體和多孔介質中的熱傳遞。從反應工程界面生成空間依賴模型時，熱傳遞模型的公式以及熱力學和傳輸性質可以直接從化學方程式獲得。

表面反應和異相催化 (Surface Reactions and Heterogeneous Catalysis)

表面反應對於異相催化以及化學氣相沉積等表面沉積過程是典型的。它們在大宗化學工業中很常見，例如，在哈伯-博施 (Haber–Bosch) 過程中用於製造氨，在微型傳感器中用於檢測可以吸附在表面上並通過例如電氣性質的變化來檢測的極低量的示蹤劑。

 

在傳輸-反應模型中，表面反應可以被視為與體積中的傳輸和反應方程的邊界條件耦合的邊界方程。這對於微觀尺度以下或達到微觀尺度的模型是典型的。另外，在多孔介質中，這些反應以類似於均相反應的方式處理，但包括特定表面積（多孔材料單位體積的面積）和有效傳輸性質。這對於微觀尺度和宏觀尺度的模型是典型的，所謂的多尺度模型 (multiscale models)。

 

化學反應工程模組包括為異相催化準備好的公式，適用於兩種情況：邊界面上的表面反應以及在均質化多孔催化劑上分佈的表面反應。對於多孔催化劑，預定義了多尺度模型來描述雙模孔結構 (bimodal pore structures)。這種結構可能由微孔顆粒組成，這些顆粒打包形成大孔顆粒床。


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