Этапы моделирования

Процесс как теоретического, так и экспериментального моделирования состоит из следующих шагов:

1. Построение модели.

2. Изучение модели.

3. Экстраполяция - перенос полученных данных на область знаний об исходном объекте.

На первом этапе, при осознании невозможности или нецелесообразности прямого изучения объекта, создается его модель. Целью этого этапа является создание условий для полноценного замещения оригинала объектом-посредником, воспроизводящим его необходимые параметры.

На втором этапе производится изучение самой модели - настолько детальное, насколько это требуется для решения конкретной познавательной задачи. Здесь исследователь может вести наблюдения за поведением модели, проводить над ней эксперименты, измерять или описывать ее характеристики - в зависимости от специфики самой модели и от исходной познавательной задачи. Цель второго этапа - получение требуемой информации о модели.

Третий этап (экстраполяционный) представляет собой «возвращение» к исходному объекту, т.е. интерпретацию полученных знаний о модели, оценку их приемлемости и, соответственно, приложение их к оригиналу, позволяющее в случае успеха решить исходную познавательную задачу.

Эти шаги реализуют своеобразный цикл моделирования, в ходе которого модель и оригинал соотносятся друг с другом (рис.1).

Рис. 1. Этапы моделирования

Моделирование в химии

Моделирование молекул, химических процессов и реакций

Материальное (экспериментальное) моделирование широко используется в химии для познания и изучения строения веществ и особенностей протекания химических реакций, для выявления оптимальных условий химико-технологических процессов и др.

В биохимии и фармакологии моделирование играет очень большую роль. Прогресс фармакологии характеризуется непрерывным поиском и созданием новых, более совершенных препаратов. В последние годы при создании новых препаратов за основу берется не биологически активное вещество, как это делалось ранее, а субстрат, с которым оно взаимодействует (рецептор, фермент и т.п.). Для таких исследований необходимы максимально подробные данные о трехмерной структуре тех макромолекул, которые являются основной мишенью для препарата. В настоящее время имеется банк таких данных, включающих значительное число ферментов и нуклеиновых кислот. Прогрессу в этом направлении способствовал ряд факторов. Прежде всего, был усовершенствован рентгеноструктурный анализ, а также разработана спектроскопия, основанная на ядерно-магнитном резонансе. Последний метод открыл принципиально новые возможности, так как он позволил устанавливать трехмерную структуру веществ в растворе, т.е. в некристаллическом состоянии. Существенным моментом явилось и то, что с помощью генной инженерии удалось получить достаточное количество субстратов для подробного химического и физико-химического исследования.

Используя имеющиеся данные о свойствах многих макромолекул, удается с помощью компьютеров моделировать их структуру. Это дает четкое представление о геометрии не только всей молекулы, но и ее активных центров, взаимодействующих с лигандами. Исследуются особенности топографии поверхности субстрата, характер его структурных элементов и возможные виды межатомного взаимодействия с эндогенными веществами или ксенобиотиками. С другой стороны, компьютерное моделирование молекул, использование графических систем и соответствующих статистических методов, позволяет составить достаточно полное представление о трехмерной структуре фармакологических веществ и распределении их электронных полей. Такая суммарная информация о физиологически активных веществах и субстрате должна способствовать эффективному конструированию потенциальных лигандов с высокими комплиментарностью и аффинитетом. До сих пор о таких возможностях можно было только мечтать -- сейчас они становятся реальностью.

Компьютерное моделирование молекул основывается на многочисленных приближениях и допущениях. Так, предполагается, что энергия молекул определяется только координатами их атомов в пространстве. Но в реальности молекулы не являются неподвижными, а энергетические расчёты на компьютере проводятся на статических молекулах. Сейчас разрабатываются методы молекулярной динамики, которые позволяют учитывать тепловое движение молекул, но до сих пор нет подходов, которые бы достоверно учитывали энтропийную составляющую энергии. К тому же в разумные сроки можно рассчитать время жизни системы порядка нескольких пикосекунд.

Большие сложности представляет изучение трёхмерной структуры белков. На сегодняшний день нет методов, которые могли бы точно предсказать трёхмерную структуру белка на основе его аминокислотной последовательности. Хотя используется метод аналогий, когда предполагается, что идентичные аминокислотные участки разных белков укладываются аналогичным образом. Экспериментальное же получение трёхмерных изображений сопряжено с множеством трудностей: для проведения рентгеноструктурного анализа требуется кристаллизация белка (что возможно только для растворимых белков), а возможности ядерного магнитного резонанса ограничиваются молекулярным размером белков.

Роль молекулярного моделирования, как для фундаментальных, так и для прикладных исследований в области молекулярной биологии и биохимии неуклонно растёт. Это связано и с совершенствованием математического аппарата, и с ростом производительности вычислительной техники, и накоплением огромного количества фактического материала, требующего анализа.

Моделирование химических реакторов применяется для предсказания результатов протекания химико-технологических процессов при заданных условиях в аппаратах любого размера. Попытки осуществить масштабный переход от реактора малого размера к промышленному реактору при помощи физического моделирования оказались безуспешными из-за несовместимости условий подобия химических и физических составляющих процесса (влияние физических факторов на скорость химического превращения в реакторах разного размера существенно различно). Поэтому для масштабного перехода преимущественно использовались эмпирические методы: процессы исследовались в последовательно увеличивающихся реакторах (лабораторная, укрупнённая, опытная, полупромышленная установки, промышленный реактор).

Исследовать реактор в целом и осуществить масштабный переход позволило математическое моделирование. Процесс в реакторе складывается из большого числа химических и физических взаимодействий на различных структурных уровнях -- молекула, макрообласть, элемент реактора, реактор. В соответствии со структурными уровнями процесса строится многоступенчатая математическая модель реактора. Первому уровню (собственно химическому превращению) соответствует кинетическая модель, уравнения которой описывают зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления во всей области их изменений, охватывающей практические условия проведения процесса. Характер следующих структурных уровней зависит от типа реактора. Например, для реактора с неподвижным слоем катализатора второй уровень -- процесс, протекающий на одном зерне катализатора, когда существенны перенос вещества и перенос тепла в пористом зерне. Каждый последующий структурный уровень включает все предыдущие как составные части, например математическое описание процесса на одном зерне катализатора включает как уравнения переноса, так и кинетические. Модель третьего уровня включает, кроме того, уравнения переноса вещества, тепла и импульса в слое катализатора и т. д. Модели реакторов других типов (с псевдосжиженным слоем, колонного типа с суспендированным катализатором и др.) также имеют иерархическую структуру.

С помощью математического моделирования выбираются оптимальные условия проведения процесса, определяются необходимое количество катализатора, размеры и форма реактора, параметрическая чувствительность процесса к начальным и краевым условиям, переходные режимы, а также исследуется устойчивость процесса. В ряде случаев сначала проводится теоретическая оптимизация -- определяются оптимальные условия, при которых выход полезного продукта наибольший, независимо от того, смогут ли они быть осуществлены, а затем, на втором этапе, выбирается инженерное решение, позволяющее наилучшим образом приблизиться к теоретическому оптимальному режиму с учётом экономических и других показателей. Для осуществления найденных режимов и нормальной работы реактора необходимо обеспечить равномерное распределение реакционной смеси по сечению реактора и полноту смешения потоков, различающихся составом и температурой. Эти задачи решаются физическим (аэрогидродинамическим) моделированием выбранной конструкции реактора.

Для исследования различных процессов, в которых протекают фазовые и химические превращения, применяются методы термодинамического моделирования .

Термодинамическое моделирование фазово-химических превращений основывается, с одной стороны, на законах и методах химической термодинамики, с другой - на математическом аппарате решения экстремальных задач. Полноценное сочетание этих двух подходов позволяет реализовать методику расчета, которая не имеет принципиальных ограничений на природу и компонентность исследуемых систем.

Для исследования различных практических и теоретических задач, связанных с фазовыми и химическими превращениями, необходимо глубокое и детальное исследование физико-химической сущности процесса, выявление закономерностей протекающих при этом фазовых и химических превращений, влияния на них и на выход продукта параметров состояния (температуры, давления, состава реакционной смеси и др.).

Сложность большинства реальных физико-химических процессов не позволяет решить описанные проблемы исключительно экспериментальным путем. Анализ возможных подходов показывает эффективность привлечения современных теорий и методов физико-химического и математического моделирования и расчета с использованием термодинамических представлений. C помощью данных методов можно проводить детальное исследование фазовых и химических превращений.

Теоретическое моделирование

Роль теоретического моделирования в развитии химической науки особенно значима, так как мир атомов и молекул скрыт от непосредственного наблюдения исследователя. Поэтому познание осуществляется путем построения моделей невидимых объектов по косвенным данным.

Рис. 2. Построение и изменение моделей

Процесс теоретического моделирования, как уже было сказано выше, осуществляется поэтапно: построение модели, изучение модели и экстраполяция. На каждом этапе можно выделить определенные действия, необходимые для его осуществления (рис 2). Модели могут дополняться, изменяться и даже заменяться новыми моделями. Такие процессы происходят, если исследователи сталкиваются с новыми фактами, противоречащими построенной модели. Новая модель - результат переосмысления противоречий старой модели и вновь полученных данных.

Рассмотрим специфику процесса познания при теоретическом моделировании.

Идеальное моделирование является одним из методов теоретического познания. Таким образом, такие структурные компоненты теоретического знания, как проблема, гипотеза и теория, должны составлять основу теоретического моделирования.

После накопления фактологического материала и его анализа выявляется и формулируется проблема. Проблема - форма теоретического знания, содержанием которой является то, что еще не познано человеком, но что нужно познать. Иначе говоря, это знание о незнании, вопрос, возникший в ходе познания и требующий ответа. Проблема не есть застывшая форма знания, а процесс, включающий два основных момента (этапа движения познания) - ее постановку и решение. Правильное выведение проблемного знания из предшествующих фактов и обобщений, умение верно поставить проблему - необходимая предпосылка ее успешного решения. "Формулировка проблемы часто более существенна, чем ее разрешение, которое может быть делом лишь математического или экспериментального искусства. Постановка новых вопросов, развитие новых возможностей, рассмотрение старых проблем под новым углом зрения требуют творческого воображения и отражают действительный успех в науке" .

В. Гейзенберг отмечал, что при постановке и решении научных проблем необходимо следующее: а) определенная система понятий, с помощью которых исследователь будет фиксировать те или иные феномены; б) система методов, избираемая с учетом целей исследования и характера решаемых проблем; в) опора на научные традиции, поскольку, по мнению Гейзенберга, "в деле выбора проблемы традиция, ход исторического развития играют существенную роль", хотя, конечно, определенное значение имеют интересы и наклонности самого ученого.

Как считает К. Поппер, наука начинает не с наблюдений, а именно с проблем, и ее развитие есть переход от одних проблем к другим - от менее глубоких к более глубоким. Проблемы возникают, по его мнению, либо как следствие противоречия в отдельной теории, либо при столкновении двух различных теорий, либо в результате столкновения теории с наблюдениями.

Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации (выступающей в виде противоположных позиций), которая требует соответствующего разрешения. Определяющее влияние на способ постановки и решения проблемы имеют, во-первых, характер мышления той эпохи, в которую формулируется проблема, и, во-вторых, уровень знания о тех объектах, которых касается возникшая проблема. Каждой исторической эпохе свойственны свои характерные формы проблемных ситуаций.

Для решения выявленной проблемы ученым формулируется гипотеза. Гипотеза - форма теоретического знания, содержащая предположение, сформулированное на основе ряда фактов, истинное значение которого неопределенно и нуждается в доказательстве. Гипотетическое знание носит вероятный, а не достоверный характер и требует проверки, обоснования. В ходе доказательства выдвинутых гипотез одни из них становятся истинной теорией, другие видоизменяются, уточняются и конкретизируются, третьи отбрасываются, превращаются в заблуждения, если проверка дает отрицательный результат. Выдвижение новой гипотезы, как правило, опирается на результаты проверки старой, даже в том случае, если эти результаты были отрицательными.

Так, например, выдвинутая Планком квантовая гипотеза после проверки стала научной теорией, а гипотезы о существовании "теплорода", "флогистона", "эфира" и др., не найдя подтверждения, были опровергнуты, перешли в заблуждения. Стадию гипотезы прошел и открытый Д.И. Менделеевым периодический закон.

Д.И. Менделеев считал, что в организации целеустремленного, планомерного изучения явлений ничто не может заменить построения гипотез. "Они, - писал великий русский химик, - науке и особенно ее изучению необходимы. Они дают стройность и простоту, каких без их допущения достичь трудно. Вся история наук это показывает. А потому можно смело сказать: лучше держаться такой гипотезы, которая может со временем стать верною, чем никакой".

Согласно Менделееву, гипотеза является необходимым элементом естественнонаучного познания, которое обязательно включает в себя: а) собирание, описание, систематизацию и изучение фактов; б) составление гипотезы или предположения о причинной связи явлений; в) опытную проверку логических следствий из гипотез; г) превращение гипотез в достоверные теории или отбрасывание ранее принятой гипотезы и выдвижение новой. Д.И. Менделеев ясно понимал, что без гипотезы не может быть достоверной теории: "Наблюдая, изображая и описывая видимое и подлежащее прямому наблюдению - при помощи органов чувств, мы можем при изучении надеяться, что сперва явятся гипотезы, а потом и теории того, что ныне приходится положить в основу изучаемого".

Таким образом, гипотеза может существовать лишь до тех пор, пока не противоречит достоверным фактам опыта, в противном случае она становится просто фикцией. Она проверяется (верифицируется) соответствующими опытными фактами (в особенности экспериментом), получая характер истины. Гипотеза является плодотворной, если может привести к новым знаниям и новым методам познания, к объяснению широкого круга явлений.

Гипотеза как метод развития научно-теоретического знания в своем применении проходит следующие основные этапы.

1. Попытка объяснить изучаемое явление на основе известных фактов и уже имеющихся в науке законов и теорий. Если такая попытка не удается, то делается дальнейший шаг.

2. Выдвижение догадки, предположения о причинах и закономерностях данного явления, его свойств, связей и отношений, о его возникновении и развитии и т.п. На этом этапе познания выдвинутое положение представляет собой вероятное знание, еще не доказанное логически и не настолько подтвержденное опытом, чтобы считаться достоверным. Чаще всего выдвигается несколько предположений для объяснения одного и того же явления.

3. Оценка основательности, эффективности выдвинутых предположений и отбор из их множества наиболее вероятного на основе указанных свыше условий обоснованности гипотезы.

4. Развертывание выдвинутого предположения в целостную систему знания и дедуктивное выведение из него следствий с целью их последующей эмпирической проверки.

5. Опытная, экспериментальная проверка выдвинутых из гипотезы следствий. В результате этой проверки гипотеза либо "переходит в ранг" научной теории, или опровергается, "сходит с научной сцены". Однако следует иметь в виду, что эмпирическое подтверждение следствий из гипотезы не гарантирует в полной мере ее истинности, а опровержение одного из следствий не свидетельствует однозначно о ее ложности в целом. Эта ситуация особенно характерна для научных революций, когда происходит коренная ломка фундаментальных концепций и методов и возникают принципиально новые идеи.

Таким образом, решающей проверкой истинности гипотезы является в конечном счете практика во всех своих формах, но определенную (вспомогательную) роль в доказательстве или опровержении гипотетического знания играет и логический (теоретический) критерий истины. Проверенная и доказанная гипотеза переходит в разряд достоверных истин, становится научной теорией.

Цель работы

• 1. Ознакомиться с методами построения кинетических моделей гетерогенных химических реакций.
• 2. Составить кинетическую модель гетерогенной химической реакции в соответствии с заданным механизмом.
• 3. Выбрать численный метод и разработать программу расчета.
• 4. Исследовать динамику изменения концентраций реагирующих веществ реакции и промежуточных соединений.

Кинетика гетерогенных химических реакций

Основы гетерогенной химической кинетики заложены в работах Лэнгмюра, Темкина и др. . В этих работах сформулировано понятие идеального адсорбированного слоя, базирующееся на аналогии с представлениями гомогенной кинетики. Эта модель использует следующие предположения:

• 1) равноценность всех участков поверхности катализатора и независимость энергии хемосорбции от степени заполнения поверхности различными адсорбентами;
• 2) неизменность катализатора и независимость его свойств от состава реакционной смеси и ее воздействия на катализатор;
• 3) равновесное распределение энергии.

Формальным аналогом кинетического закона действующих масс для элементарных процессов на твердых поверхностях является закон действующих поверхностей (ЗДП) .

Согласно его первоначальной формулировке скорость химической реакции пропорциональна произведению поверхностных концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим соотношениям, в которых они вступают во взаимодействие (1.38).

Пусть протекает элементарная химическая реакция

При этом все вещества вступают во взаимодействие из адсорбированного состояния. Обозначим zi - долю поверхности, занятой i-м адсорбированным веществом. Тогда, в соответствии с законом действующих поверхностей, скорость необратимой реакции (1.38) можно записать как

где W - скорость химической реакции;

k - константа скорости; - доля поверхности, занятой i-й адсорбированной частицей; - доля свободной поверхности; i - стехиометрические коэффициенты стадий;

Изменение числа молей при протекании химической реакции.

Если не все вещества вступают во взаимодействие из адсорбированного состояния, а реагируют непосредственно из газовой фазы, то в более общем виде выражение закона действующих поверхностей записывается следующим образом:

где - парциальные давления (концентрации) -веществ, реагирующих из газовой фазы; - стехиометрические коэффициенты;

n, m - количество веществ, адсорбированных на поверхности катализатора и реагирующих из газовой фазы.

Пример: пусть протекает адсорбция водорода на активном центре катализатора Z с образованием адсорбированного поверхностного соединения ZH2:

тогда на основании ЗДП скорость данной элементарной химической реакции можно записать как

В качестве основного фактора, определяющего кинетические зависимости, вначале рассматривался фактор вытеснения, «борьбы» компонентов реакционной смеси за места на поверхности катализатора. При этом принималось дополнительное предположение о высокой скорости адсорбционных и десорбционных стадий по сравнению с собственно химическими превращениями. Последующие исследования показали существенную ограниченность этих предположений. Тем не менее Хиншельвудом, Швабом, Хоугеном, Ватсоном и другими на их основе получены уравнения, удовлетворительно описывающие кинетический эксперимент в определенном интервале изменения параметров. Типовая формула кинетического уравнения

где k - константа скорости;

Сi - концентрация i-го реагента газовой среды;

Константа равновесия стадии адсорбции i-го компонента;

i - стехиометрический коэффициент.

Наиболее общее описание кинетики сложных реакций дано в теории стационарных реакций Хориути - Темкина .

Дзюро Хориути ввел следующие понятия: независимые промежуточные вещества, стехиометрическое число, маршрут реакции, независимые маршруты реакции.

Стехиометрические числа - это числа, выбранные таким образом, что после умножения химических уравнений каждой стадии на соответствующее стехиометрическое число и последующего сложения уравнений все промежуточные вещества сокращаются. Получаемое при этом уравнение называется брутто-уравнением. Каждый набор стехиометрических чисел, приводящий к исключению промежуточных веществ, называется маршрутом реакции.

В теории стационарных реакций вводятся понятия «пробег стадии», «пробег по маршруту» и «скорость реакции по базисному маршруту». Под числом пробегов стадии понимается разность числа актов элементарной реакции в прямом и обратном направлениях. Тогда скорость простой реакции равна числу ее пробегов за единицу времени в единичном реакционном пространстве. Один пробег по маршруту означает, что произошло столько пробегов каждой из стадий, каково ее стехиометрическое число для данного маршрута. В том случае, когда образование молекулы промежуточного вещества в одной из стадий скомпенсировано расходованием этой молекулы в иной стадии, реализуется стационарный режим реакции. Если в ходе этой стадии образуется не конечный продукт, а новое промежуточное вещество, то и оно должно расходоваться в другой стадии. Полная компенсация образования и расходования промежуточных веществ и означает завершение пробега по какому-либо из маршрутов.

Таким образом, скорость стационарной реакции определяется отдельными пробегами по всевозможным маршрутам. В результате все пробеги стадий за данное время окажутся однозначно определенными через базисные маршруты. Скоростью реакции по базисному маршруту называется число пробегов по базисному маршруту в единицу времени в единичном реакционном пространстве при условии, что все пробеги стадий распределены по маршрутам данного базиса. Скорость реакции в целом задается скоростями по базисным маршрутам.

Условие стационарности элементарных стадий химических реакций можно записать следующим образом:

где - скорости элементарных стадий (s-й, прямой и обратной); - скорость по маршруту Р;

Стехиометрический коэффициент s-й стадии, маршрута Р.

На основании уравнения (1.44) получим уравнение, которое называется уравнением стационарных реакций:

где, ... - скорости по маршрутам;

Скорости элементарных стадий в прямом и обратном направлениях;

Стехиометрический коэффициент i-й стадии по j-му маршруту.

С помощью данного уравнения облегчается вывод кинетических уравнений для гетерогенных химических реакций в явном виде - для линейных механизмов и в некоторых случаях - для нелинейных.

Математическое описание перечисленных выше физико-химических процессов имеет большое значение при создании динамических моделей, воспроизводящих поведение процессов во времени. Такие модели позволяют прогнозировать будущее состояние процесса, определять оптимальные траектории его протекания, а следовательно, и пути повышения производительности или экономичности. При этом открывается также возможность автоматизации управления с использованием ЭВМ.

Особенности кинетики гомогенных и гетерогенных реакций

Скорости протекания химических реакций зависят от целого ряда факторов: концентрации реагирующих веществ, температуры, давления (если в реакции участвуют газообразные вещества), наличия катализаторов, а в случае гетерогенных превращений, кроме того – от состояния поверхности, условий тепло- и массообмена. Рассмотрим, в связи с этим, особенности кинетики гомогенных и гетерогенных реакций. При гомогенных реакциях исходные вещества и продукты взаимодействия находятся в одной и той же фазе (газовой или жидкой), при этом молекулы, атомы или ионы могут взаимодействовать по всему занятому объему. Примером могут служить реакции горения и , входящих в состав коксового (природного) газа:

При гетерогенных реакциях взаимодействующие вещества находятся в различных фазах, а процесс химического превращения протекает на границе раздела этих фаз.

Реакция окисления углерода в системе шлак-металл, как пример гетерогенной реакции

Реакция

Примером может служить реакция окисления углерода в системе шлак – металл применительно к ванне мартеновской или электросталеплавильной печи

Три стадии реакции

Здесь можно выделить, по меньшей мере, три стадии:

1. диффузия кислорода из шлака в металл к месту реакции (граница раздела: металл – газовый пузырь, незаполненные поры на подине или поверхности кусков руды и извести);
2. химическая реакция между кислородом и углеродом металла на границе раздела упомянутых фаз;
3. выделение газообразного продукта реакции из металла.

Следует заметить, что при более подробном анализе каждая из перечисленных стадий может быть разбита еще на несколько стадий, отражающих, в частности, адсорбционно-химические акты на границах раздела фаз (см. рис.1.3 – 1.5). Скорость такой сложной гетерогенной реакции лимитируется наиболее медленной стадией процесса. Для условий мартеновского и электросталеплавильного процессов такой стадией является диффузия кислорода из шлака в металл. В конвертерном процессе в связи с большой интенсивностью продувки кислородом и высокой степенью диспергирования взаимодействующих фаз лимитирующими могут оказаться адсорбционно-химические акты на поверхности раздела фаз, величина которой возрастает на несколько порядков по сравнению с подовыми сталеплавильными процессами.

Описание диффузии и массопереноса

Диффузия

Прежде чем продолжить описание кинетики, остановимся на закономерностях диффузии, которая имеет большое значение при гетерогенных процессах, так как их скорости могут определяться подводом реагирующих веществ и отводом продуктов реакции.

Диффузия есть процесс самопроизвольного перемещения вещества, направленный на выравнивание концентраций в объеме. Движущейся силой диффузии является градиент концентрации , определяемый изменением концентрации вещества , приходящегося на отрезок пути в направлении диффузии. Приращение количества переносимого путем диффузии вещества пропорционально коэффициенту диффузии , градиенту концентрации, площади поперечного сечения среды, через которую переносится вещество, и времени .

а переходя к бесконечно малым приращениям и скорости диффузии (потоку массы через единичную площадь)

получаем уравнение

(3.57) описывающее стационарную диффузию и называемое первым законом Фика.

Диффузия системы с распределёнными параметрами позакон Фика

Для случая системы с распределенными параметрами, когда концентрация изменяется по всем трем координатам, в соответствии со вторым законом Фика уравнение диффузии принимает следующий вид:

(3.58) где – плотность источников вещества, например, количество вещества, образующегося в результате химических реакций в единице объема в единицу времени.

Условия применимости молекулярной диффузии

Необходимо подчеркнуть, что уравнения (3.57) и (3.58) относятся к молекулярному переносу в неподвижной среде и справедливы для изотермического процесса и случая, когда диффузия данного компонента не зависит от диффузии других компонентов.

Формула Стокса-Эйнштейна

В этих условиях зависимость коэффициента диффузии от температуры , вязкости среды и радиуса диффундирующих молекул определяется формулой Стокса – Эйнштейна:

(3.59) где

И – газовая постоянная и число Авогадро.

Турбулентная диффузия

В большинстве металлургических агрегатов, особенно сталеплавильных, преобладающую роль играет не молекулярная, а турбулентнаядиффузия , обусловленная тепловой конвекцией и работой перемешивания поднимающихся пузырей и внедряющихся в ванну струй продувочного газа.

Например, значение коэффициента атомарной диффузии в неподвижном расплавленном железе при 1500 – 1600°C составляет – . Величина же коэффициента турбулентной диффузии в мартеновской ванне, зависящая от скорости обезуглероживания, составляет 0,0025 -0,0082 , а в конвертерном процессе 2,0 -2,5, т. е. на три порядка выше.

Диффузия с учетом влияния конвекции

С учетом влияния конвекции уравнение диффузии принимает следующий вид:

(3.60) где – скорость переноса вещества, м/с.

Чаще, в случаях преобладающего влияния турбулентной диффузии, используется эмпирическое уравнение вида

– диффузионный поток;

– разность концентраций;

– коэффициент массоотдачи (турбулентной диффузии).

Эмпирическое уравнение для турбулентной диффузии

При оценке условий массопереноса и возможных областей использования приведенных выше уравнений целесообразно воспользоваться методами теории подобия , которая, как показано при анализе второй теоремыподобия , открывает возможность обобщений.

Прежде всего, следует заметить, что диффузия , вязкость и теплопроводность являются подобными процессами, характеризующими аналогичные виды переноса: диффузия – перенос массы, вязкость – перенос количества движения, теплопроводность – перенос тепла. Коэффициенты молекулярного переноса (вязкость , диффузия и температуропроводность ) имеют одинаковую размерность ().

Число Рейнольдса

В соответствии со второй теоремой подобия можно существенно снизить размерность задачи и повысить общность, если от первичных физических параметров перейти к их безразмерным комплексам, называемым критериями или числами подобия . Одним из таких широко известных критериев является число Рейнольдса , позволяющее оценивать характер движения жидкости в зависимости от ее средней скорости , диаметра трубопровода (потока) и кинематической вязкости :

(3.62) Этот критерий является мерой отношения сил инерции, характеризующихся скоростью, к силам внутреннего трения, характеризующихся вязкостью. Число Рейнольдса отражает степень устойчивости потока по отношению к внешним и внутренним возмущениям. Значение числа, при котором нарушается устойчивость движения жидкости, называется критическим и обозначается . При любые возникающие в потоке возмущения с течением времени затухают и не изменяют общего ламинарного характера течения. При возмущения могут самопроизвольно возрастать, что приводит к турбулизации потока. В действительности, резкой границы в переходе от ламинарного к турбулентному движению нет, имеется переходный режим, при котором в основной части потока преобладает турбулентный режим, а в слое, прилегающем к стенкам, возможно ламинарное движение.

При значении <2300 поток является ламинарным. В этой области для описания диффузии могут использоваться уравнения (3.57) или (3.60). Область значений 2300<<10000 является переходной. Здесь, в зависимости от степени развития турбулентности и наличия ламинарного слоя, целесообразно использовать уравнения (3.60) или (3.61).

При значениях >10000 в результате преобладающего влияния сил инерции поток становится турбулентным. В этих условиях пользоваться уравнениями, в которых фигурируют коэффициенты молекулярной диффузии, неправомерно. При таком характере потока для описания массопереноса используют уравнения вида (3.61), в которых коэффициент массоотдачи определяется либо через работу перемешивания, либо экспериментально -статистическими методами по измеренной скорости процесса и перепадам концентраций.

Уравнения кинетики гомогенных реакций

Скорость реакции

Скорость реакции представляет собой производную от концентрации по времени

Молекулярность реакции

Химические реакции различаются по признаку молекулярности и порядка реакции. Молекулярность определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия. По этому признаку реакции делятся на моно-, би- и тримолекулярные. Каждому типу химической реакции соответствуют определенные кинетические уравнения, выражающие зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. В соответствии с закономерностями формальной кинетики, в том числе законом действующих масс, скорость какой-либо реакции вида

В прямом направлении пропорциональна концентрациям реагирующих веществ и представляется уравнением

(3.63) где

– константа скорости, имеющая смысл при .

Порядок реакции

Определение

Порядком реакции называется сумма показателей степени, в которых концентрации входят в кинетические уравнения. Приведенная выше реакция имеет, следовательно, третий порядок. В действительности реакции третьего порядка наблюдаются редко. Уравнения, подобные выражению (3.63), основаны на упрощенных представлениях о том, что реакции происходят при одновременном столкновении такого числа молекул, которые соответствуют сумме стехиометрических коэффициентов. Большинство же реальных реакций протекает по более сложным законам с образованием промежуточных продуктов. Поэтому уравнения типа (3.63) верны только для элементарных реакций, идущих в одну стадию, т. е. по виду стехиометрического уравнения нельзя определить порядок реакций, чаще всего его определяют экспериментально . С этой целью находят скорость реакции при постоянной температуре в зависимости от концентрации реагентов, по виду полученной зависимости (показателям степеней при концентрациях) можно судить о порядке реакции. Для этой цели можно воспользоваться одним из методов параметрической идентификации, рассматриваемых в гл. 5.

Остановимся на виде кинетических уравнений в зависимости от порядка реакции.

Реакция нулевого порядка

При реакциях нулевого порядка скорость постоянна во времени

(3.64) После интегрирования получаем

– постоянная интегрирования, имеющая смысл начальной концентрации при =0.

Таким образом, в рассматриваемом случае концентрация реагента линейно убывает во времени.

Реакция первого порядка

Реакция первого порядка схематически представляется следующим образом:

Кинетическое уравнение имеет вид:

(3.65) а его решение

показывает, что концентрация исходного компонента экспоненциально уменьшается во времени (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Изменение концентрации и ее логарифма во времени при реакциях первого порядка

Решение этого уравнения можно представить и в другом виде, более удобном для определения константы скорости реакции. В результате разделения переменных и выбора пределов интегрирования

При температуре

получаем решение

из которого можно выделить, что линейно зависит от времени. Если опытные данные укладываются на прямую линию (см. рис. 3.2), то это указывает на первый порядок реакции. По углу наклона прямой определяется величина .

Реакция второго порядка

Схема реакции второго порядка имеет вид

Или, например,

А скорость реакции описывается уравнением

(3.66) которое при одинаковых концентрациях принимает вид

После разделения переменных и интегрирования соотношения

получаем соотношение

(3.67) которое может быть использовано для определения . Если начальные концентрации реагентов неодинаковы и равны соответственно и, а концентрация продукта в момент составляет , то получаем уравнение

Логарифмирование которого дает

(3.68)

Обратная реакция

Все приведенные выше кинетические уравнения относятся к реакциям, протекающим только в прямом направлении, т. е. в условиях, далеких от равновесия, что может, например, обеспечиваться за счет непрерывного отвода продуктов реакции. В общем случае может протекать и обратная реакция, тогда общая скорость для реакции вида

(3.69) По мере расходования реагентов и и образования продукта скорость прямой реакции уменьшается, а увеличивается. При суммарная скорость равна нулю, наступает равновесие. Тогда

или

(3.70) т. е. константа равновесия равна отношению констант скоростей прямой и обратной реакции. В то же время соотношение (3.70) есть не что иное, как выражение закона действующих масс , полученное в данном случае через уравнение кинетики.

Влияние температуры на скорость химической реакции

Остановимся теперь на вопросе влияния температуры на скорость химических реакций. Зависимость константы скорости реакции от температуры впервые была эмпирически получена Аррениусом, а несколько позже нашла теоретическое подтверждение на основе механизма активных столкновений. В дифференциальной форме она имеет следующий вид:

– энергия активации.

После интегрирования, при условии, что , получаем

– постоянная, имеющая смысл логарифма константы скорости при бесконечной температуре ().

Это соотношение можно представить также в виде

(3.73)

Энергия активации

Величину можно определить по тангенсу угла наклона прямой (3.72), построенной в координатах , для чего необходимо измерить константы скорости при различных температурах.

Физический смысл энергии активации и механизм химических реакций можно объяснить на основе теории активных столкновений.

Вероятность осуществления элементарной химической реакции зависит от природы реагирующих веществ (энергии связей) и от температуры, повышающей общий энергетический уровень хаотического движения молекул. На рис 3.3, где и – энергии активации прямой и обратной реакций, видно, что в результате экзотермической реакции, происходит снижение внутренней энергии системы на величину, равную тепловому эффекту реакции.

Рис. 3.3 К вопросу об энергии активации

Однако, на пути от исходного состояния в конечное система должна перейти определенный энергетический барьер, при этом, чем ниже барьер (меньше энергия активации), тем большая доля молекул в каждый данный момент оказывается способной вступить в реакцию и тем более высокой будет скорость реакции.

Более подробное изложение молекулярной кинетики, нашедшее дальнейшее развитие в теории переходного состояния, выходит за рамки данного пособия.

Взаимосвязь массопереноса и кинетики в гетерогенных реакциях

Наглядное представление о взаимосвязях массопереноса и кинетики в гетерогенных процессах дает приведенная на рис.3.4 схема обобщенной модели.

Поверхности раздела фаз

В первом случае процессы не сопровождаются изменениями химического состава в пограничном слое. Взаимодействие же на поверхности раздела многокомпонентных систем характеризуется, чаще всего, изменением состава пограничного слоя, при этом общая скорость процесса определяется скоростью выравнивания концентрации в пограничном слое, т. е. скоростью диффузии. Диффузионный пограничный слой представляет собой тонкий слой, прилегающий к каждой фазе двух- или многокомпонентной системы (рис. 3.6).

Рис. 3.6 Диффузионный пограничный слой

1. – твердое вещество
2. – диффузионный пограничный слой
3. – жидкость

С увеличением интенсивности перемешивания уменьшается толщина этого слоя и, следовательно, уменьшается влияние диффузии на скорость всего процесса. Подобные явления наблюдаются при растворении кусков кокса и агломерата в доменных печах или кусков извести в сталеплавильных агрегатах.

В системах , для которых характерно последовательное протекание химических и физических процессов, скорость всего процесса определяется более медленной стадией. В связи с этим реакция может находиться в кинетической или в диффузионной области. Если скорость химической реакции и диффузии соизмеримы, процесс является сложной функцией кинетических и диффузионных явлений и считается протекающим в переходной области.

Стадии гетерогенных реакций

В большинстве случаев гетерогенные реакции протекают через ряд стадий, наиболее характерные из которых следующие:

1. диффузия частиц исходных веществ к поверхности раздела фаз (реакционной зоне);
2. адсорбция реагентов на поверхности;
3. химическая реакция на поверхности;
4. десорбция продуктов реакции на поверхности раздела фаз;
5. диффузия этих продуктов от реакционной зоны вглубь одной из фаз.

Стадии 1 и 5 относятся к диффузионным, а стадии 2 – 4 к кинетическим.

Кинетическое сопротивление гетерогенной реакции

Наблюдаемое кинетическое сопротивление гетерогенной реакции, протекающей через ряд последовательных стадий, равно сумме кинетических сопротивлений ее стадий

(3.74) где

– константа скорости суммарного (наблюдаемого) процесса;

– константа скорости кинетической стадии;

– константа скорости (коэффициент диффузии) диффузионной стадии.

Стадия, имеющая наибольшее сопротивление, является лимитирующей.

Особенности процессов в кинетической области

Рассмотрим основные особенности процессов в кинетической области:

Первые три особенности могут наблюдаться и в случае нахождения процесса в переходной области. Четвертый признак является основным экспериментальным подтверждением нахождения процесса в кинетической области.

Особенности процессов в диффузионной области

Основные особенности процессов в диффузионной области:

1. процесс первого порядка;
2. слабая зависимость скорости процесса от температуры и от величины поверхности раздела фаз;
3. 3) резкое влияние на скорость процесса гидродинамических и аэродинамических условий процесса.

Наиболее важным признаком нахождения процесса в диффузионной области являются первая и третья особенности.

Растворение извести как пример гетерогенного процесса

Рассмотрим в качестве примера процесс растворения извести в основном сталеплавильном шлаке, что имеет место в мартеновских, электросталеплавильных печах и конвертерах. Этот процесс, являющийся типично гетерогенным, зависит, прежде всего, от конвективных потоков, развивающихся в ванне, т. е. от мощности перемешивания, и состоит из следующих этапов: подвод составляющих шлака (, и др.) к поверхности кусков извести; проникновение растворителей в поры кусков извести, что облегчает переход оксида кальция в жидкую фазу в связи с образованием легкоплавких соединений; отвод этих продуктов, насыщенных , от поверхности кусков извести в объеме шлака. Подвод растворителей к поверхности кусков извести и отвод растворяющейся определяется закономерностями конвективной диффузии в пределах диффузионного пограничного слоя у поверхности кусков извести. Уравнение диффузии имеет вид.

Введение

Химический процесс  это сложное явление, в котором протекание химической реакции сопровождается переносом тепла и вещества. Происходящие совместно химическая реакция, тепло- и массоперенос взаимно влияют друг на друга, поэтому только знание закономерностей химического процесса в целом является основой для создания высокоэффективных химических производств и базой для построения математических моделей, позволяющих оптимизировать проведение химико-технологических процессов. Для решения этих задач необходимо выяснить, в каких соотношениях реагенты (исходные вещества и продукты реакции) вступают во взаимодействие друг с другом, как влияют на скорость проведения процесса и распределение его продуктов температура, давление, состав реакционной смеси и фазовое состояние этих реагентов. Кроме того, необходимо установить, в каком типе аппаратов и при каких гидродинамических условиях процесс оказывается наиболее интенсивным относительно выбранных выходных показателей (степеней превращения исходных веществ, выхода продуктов реакции, с наибольшей селективностью по какому-либо продукту или промежуточному веществу и т.д.). На многие из этих вопросов можно получить ответы, изучив стехиометрические, термодинамические и кинетические закономерности протекания процессов.

Стехиометрические закономерности показывают, в каких соотношениях реагенты взаимодействуют друг с другом. На их основе составляются материальные балансы, осуществляются пересчеты между количествами прореагировавших и образовавшихся веществ. По их результатам рассчитываются показатели эффективности проведения процесса.

Знание термодинамических закономерностей позволяет оценить вероятность осуществления процесса по изменению энергий Гиббса или Гельмгольца, рассчитать состав равновесной смеси для обратимых реакций и тепловые эффекты протекающих реакций.

Изучение кинетических закономерностей дает возможность определить наиболее вероятные механизмы реакций и получить уравнения, описывающие интенсивность расходования исходных веществ или образования продуктов реакции.

Аппараты, в которых проводят химические процессы (реакторы), классифицируются по различным признакам: по структуре потока, по времéнным и температурным условиям проведения процесса и т.д. В тексте всегда будет указан тип аппарата и эти условия.

В данном пособии будут рассмотрены только способы исследования кинетических закономерностей гомогенных химических реакций, однако они часто оказываются неразрывно связанными с изучением стехиометрических соотношений и термодинамики реакций. В связи с этим в пособии будет уделено внимание вопросам материального баланса простых и сложных химических реакций, а также их термодинамическим аспектам.

ПРОДУКТ: Модуль Химические реакции

Моделируйте тепло- и массообмен с помощью модуля Химические реакции

Реактор с пластинами, в котором химические реакции протекают повсеместно, а реагенты вводятся в двух точках.

Идеальное решение для всех технологических операций в химической и обрабатывающей промышленности

Оптимизация химических реакторов, фильтрационного оборудования, смесителей и других процессов упрощается при использовании модуля Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций). Он содержит инструменты для моделирования переноса материалов и теплообмена при любой химической кинетике в среде любого типа (в газах, жидкостях, пористых средах, на поверхностях и в твердых фазах) или при их комбинациях. Таким образом, модуль является идеальным решением для всех аспектов химической и обрабатывающей промышленности, и даже в экологической инженерии, где в качестве «технологической установки» или «химического реактора» выступает окружающая среда.

Конвекция и диффузия при произвольной химической кинетике

Модуль Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций) содержит интуитивно понятные пользовательские интерфейсы для определения переноса материалов в разбавленных и концентрированных растворах или смесях при конвекции, диффузии и миграции ионов произвольного количества химических соединений. Все они легко связываются с определениями кинетики обратимых, необратимых и равновесных реакций, которые описываются уравнением Аррениуса или любым произвольным уравнением скорости реакции, при этом можно учитывать воздействие концентрации и температуры на кинетику. Интерфейс для определения химических реакций прост и понятен, поскольку химические формулы и уравнения вводятся фактически как при записи на бумаге. Используя закон действующих масс, COMSOL формирует подходящие схемы реакций, которые можно изменять или отклонять. Стехиометрия в формулах реакции используется для автоматического определения материального и энергетического балансов для условий гомогенного или гетерогенного реактора, в объеме или на поверхностях.

Дополнительные изображения с примерами:

Явления полного переноса

Инструменты для расчета термодинамических свойств, в том числе из внешних источников, включены в модуль Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций), чтобы добавить связь переноса тепла с балансами энтальпий к переносу масс и химическим реакциям. Также имеются пользовательские интерфейсы для определения переноса импульса, что позволяет учитывать вся явления переноса, присутствующие в вашем процессе. В частности, учитывается ламинарный поток и поток в пористой среде, описываемые уравнением Навье – Стокса, законом Дарси и уравнениями Бринкмана. Используя в модели модуль CFD (Вычислительная гидродинамика) или модуль Heat Transfer (Теплопередача) можно учитывать турбулентный поток, многофазный поток и неизотермальный поток, а также радиационную теплопередачу.

Неотъемлемая часть оптимизации процессов ваших химических реакций

Модуль Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций) предназначен для инженеров и ученых, работающих, например, в химической, обрабатывающей, электроэнергетической, фармацевтической и пищевой отраслях или в производстве полимеров, где перенос материалов и химические реакции являются неотъемлемой частью технологического процесса. В модуле содержится инструментарий для всех аспектов применения: от «пробирочных» исследований в лаборатории до капитального ремонта химического реактора на заводе. Химическую кинетику можно моделировать в контролируемых средах для подробного их описания с использованием встроенных возможностей для оценки параметров и сравнения с экспериментальными данными. При этом в модуле Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций) имеется ряд предварительно настроенных типов реакторов для более глубоких исследований:

• Реакторы периодического и полупериодического действия* Проточные реакторы с непрерывным перемешиванием* Реакторы идеального вытеснения

Эти типы реакторов предоставляются с необходимыми определениями постоянных или меняющихся масс и объемов, а также изотермических, неизотермических и адиабатических условий. Данные простые модели являются идеальным решением для внедрения оптимизированной кинетики в технологическую среду, они позволяют лучше понять систему и моделировать множество различных рабочих условий. Получив все эти знания, на следующем шаге можно оптимизировать конструкцию установки и рабочие условия, используя полную двухмерную осесимметричную или трехмерную модель. Функцию Generate Space-Dependent Model (Создание модели, зависящей от пространственных координат) можно использовать для всестороннего учета баланса масс и энергий системы с учетом скорости потока среды и протекания химических реакций.

Модуль Химические реакции

Ключевые особенности

• Модели автоматических идеальных реакторов с выдачей кинетических уравнений на основе химических формул
• Перенос массы в разбавленных и концентрированных смесях
• Перенос массы диффузией, конвекцией и ионной миграцией
• Многокомпонентный перенос масс
• Уравнения Фикиана, Нернста - Планка, Максвелла - Стефана, а также перенос, усредненный по смеси
• Учет микрокомпонентной диффузии для эффекта Соре
• Диффузия в тонких слоях

• Диффузионные барьеры
• Перенос веществ и теплопередача в пористых средах
• Модели корректирования пористости для параметров переноса масс
• Ламинарный поток и поток в пористой среде
• Формула Хагена - Пуазейля
• Уравнения Навье - Стокса, Бринкмана и закон Дарси
• Реакционный поток
• Поверхностная диффузия и реакции
• Адсорбция, абсорбция и отложение веществ на поверхностях

• Многоуровневый перенос и характеристики реакций
• Неограниченное количество химических веществ в произвольных определениях кинетики химических реакций в изотермических и неизотермических средах
• Модель Аррениуса
• Изотермы адсорбции, абсорбция и отложение веществ на поверхностях
• Реакционный поток в свободной и пористой среде
• Функция CHEMKIN® для импорта кинетических данных, термодинамических и транспортных свойств
• Поддержка термодинамических баз данных в формате CAPE-OPEN

Область применения

• Реакторы циклического действия, с пульсирующим потоком и корпусные
• Проектирование, выбор размеров и оптимизация реакторов
• Микрокомпонентный и мембранный перенос
• Реакторы со слоем насадки
• Адсорбция, абсорбция и отложение на поверхностях
• Биохимия и пищевые технологии
• Фармацевтический синтез

• Производство пластмасс и полимеро
• Электрохимическая технология
• Хроматография
• Осмос, электрофорез и электроосмос
• Фильтрация и осаждение
• Обработка выхлопных газов и снижение уровня вредных выбросов
• Устройства для ферментации и кристаллизации

• Циклоны, сепараторы, скрубберы и выщелачивающие агрегаты
• Предварительные камеры сгорания и двигатели внутреннего сгорания
• Монолитные реакторы и каталитические преобразователи
• Селективное каталитическое восстановление и катализаторы для него
• Водородные реформеры
• Обработка полупроводников и химическое осаждение из паровой фазы
• Микрогидравлические устройства и устройства типа «лаборатория на чипе»

Material Databases

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

Модуль Химические реакции

Stephen Mackintosh
Lifescan Scotland
UK

T. Schauer, I. Guler
Boston Scientific Corporation, MN, USA

Stephen Mackintosh Lifescan Scotland UK

Lifescan Scotland is a medical device company that designs and manufactures blood glucose monitoring kits for the global diabetes market. These involve the self-monitoring of blood glucose levels through specialized monitoring systems and test strips that comprise of a plastic substrate, two carbon-based electrodes, a thin dry reagent layer, and ...

T. Schauer, I. Guler Boston Scientific Corporation, MN, USA

Stent insertion through the coronary artery is a common procedure used to treat restricted blood flow to the heart caused by stenosis. Following the procedure, restenosis may occur due to excessive tissue growth around the stent. Researchers at Boston Scientific are using multiphysics simulation to better understand how drug-eluting stents ...

Модуль Химические реакции

Chemical vapor deposition (CVD) allows a thin film to be grown on a substrate through molecules and molecular fragments adsorbing and reacting on a surface. This example illustrates the modeling of such a CVD reactor where triethyl-gallium first decomposes, and the reaction products along with arsine (AsH3<{:/sub>} adsorb and react on a ...

One of the most common reactors in the chemical industry, for use in heterogeneous catalytic processes, is the packed bed reactor. This type of reactor is used both in synthesis as well as in effluent treatment and catalytic combustion. This model is set up to calculate the concentration distribution in the reactor gas that flows around the ...

The model simulates non-premixed turbulent combustion of syngas (synthesis gas) in a simple round-jet burner. Syngas is a gas mixture, primarily composed of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. The name syngas relates to its use in creating synthetic natural gas. In the model, syngas is fed from a pipe into an open region with a slow ...

Surface reactions with adsorption-reaction-desorption steps are common in for example photocatalysis and biosensors. A flow cell in a biosensor contains an array of micropillars for adsorption of for example antigens in aqueous solutions. A signal proportional to the surface coverage can be detected in a sensor, for example through ...

Dialysis is a widely used chemical species separation method. One such example is hemodialysis, which acts as artificial kidneys for people with renal failure. In dialysis, only specific components are allowed to diffuse through the membrane, based on differences in molecular size and solubility. The Membrane Dialysis app simulates a process for ...

High-performance liquid chromatography (HPLC) is a common method of separating, identifying, and quantifying each chemical compound in a mixture. HPLC is found in the pharmaceutical, biotech, and food industries. The Liquid Chromatography app simulates the separation of two species within a generic liquid chromatography column. Simulations can ...

In this tutorial, the heat and mass transport equations are coupled to laminar flow in order to model exothermic reactions in a parallel plate reactor. It exemplifies how you can use COMSOL Multiphysics to systematically set up and solve increasingly sophisticated models using predefined physics interfaces.

Modeling packed beds, monolithic reactors, and other catalytic heterogeneous reactors is substantially simplified with the Reacting Flow in Porous Media multiphysics interface. This defines the diffusion, convection, migration, and reaction of chemical species for porous media flow without having to set up separate interfaces and couple them. The ...

In fuel cell power generators, a steam reformer unit typically produces the hydrogen needed for the cell stack. This example illustrates the modeling of a steam reformer. The reformation chemistry occurs in a porous catalytic bed where energy is supplied through heating tubes to drive the endothermal reaction system. The reactor is enclosed in ...

Tubular reactors are often used in continuous large-scale production, for example in the petroleum industry. One key design parameter is the conversion, or the amount of reactant that reacts to form the desired product. In order to achieve high conversion, process engineers optimize the reactor design: its length, width and heating system. An ...