Module Chemical Reaction Engineering

Comprendre et optimiser les procédés chimique et leur conception

Les modèles mathématiques aident les scientifiques, les développeurs et les ingénieurs à comprendre les procédés, les phénomènes et les designs des systèmes chimiques réactifs. Le module Chemical Reaction Engineering, complémentaire de la plate-forme logicielle COMSOL Multiphysics®, fournit des interfaces utilisateur pour la création, l'inspection et l'édition d'équations chimiques, d'expressions cinétiques, de fonctions thermodynamiques et d'équations de transport. Après avoir développé un modèle validé, celui-ci peut être utilisé pour étudier différentes configurations et conditions de fonctionnement des systèmes réactifs et des phénomènes de transport associés. La résolution répétée des équations du modèle pour différentes entrées conduit à une véritable compréhension du système étudié. En outre, le module Chemical Reaction Engineering, ainsi que d'autres outils de COMSOL Multiphysics®, fournit des méthodes mathématiques et numériques de pointe adaptées à l'optimisation et à l'estimation des paramètres des systèmes chimiques.

Contacter COMSOL
A plate reactor model with an isosurface plot showing the concentration of a chemical species in the Viridis color table.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Chemical Reaction Engineering

Modélisez les phénomènes de transport et les réactions chimiques dans de nombreux procédés industriels avec le logiciel COMSOL®.

Un graphique 1D montrant la concentration dans deux réservoirs.

Réacteurs idéaux en cuve

Simulez des systèmes idéaux tels que les réacteurs fermés, semi-fermés, parfaitement agités, tubulaires et pistons.

Modèle de cuve montrant la concentration d'acétaldéhyde dans la bière en fermentation en couleur arc-en-ciel.

Agroalimentaire

Étudiez et concevez des procédés et des phénomènes dans l'industrie agroalimentaire.

Un modèle de convertisseur monolithique dont la conversion est représentée dans la palette de couleurs Arc-en-ciel et la distribution de température dans la palette de couleurs Caméra thermique.

Automobile et pétrochimie

Modélisez les convertisseurs catalytiques et les filtres des systèmes d'échappement.

Une vue détaillée de la température et du débit d'un modèle de moteur à quatre cylindres.

Thermodynamique

Analysez comment les propriétés des mélanges dépendent de la composition, de la pression et de la température.

Vue détaillée d'un modèle d'adsorption de protéines montrant la concentration.

Mélange et séparation

Concevez des procédés de mélange et de séparation dans l'industrie de la chimie fine.

Une vue détaillée de la concentration en soluté d'un modèle de réacteur à lit fixe.

Sciences de l'environnement

Étudiez l'élimination des polluants dans les flux d'effluents en modélisant le transport et l'adsorption dans, par exemple, des lits poreux fixes.

Une vue détaillée du transport et de la concentration des contaminants dans un dispositif de dialyse à fibres creuses.

Technologie médicale

Testez les exigences de conception de divers composants d'équipements médicaux tels que les membranes de dialyse.

Une vue détaillée de la concentration d'un modèle de diffusion de médicament.

Procédés pharmaceutiques

Optimisez les conceptions et les procédés pour les applications chimiques et biopharmaceutiques.

Une vue détaillée de la fraction du flux moléculaire d'un modèle UHV/CVD.

Dépôt chimique en phase vapeur

Modèlisez la croissance de la surface d'un substrat par adsorption et dépôt dans les procédés CVD tels que la fabrication de wafers.

Une vue détaillée de la concentration d'une valve électrocinétique.

Effets électrocinétiques

Modélisez la séparation et le transport électrophorétique dans des colonnes ou autres systèmes microfuidiques.

Aperçu de la stratégie de modélisation et de la méthodologie de travail

Les descriptions réalistes des systèmes réactifs dans les études scientifiques et en ingénierie doivent intégrer à la fois les phénomènes de transport et les réactions chimiques pour comprendre et optimiser un procédé ou un design. Le module Chemical Reaction Engineering est adapté à la méthodologie typique des études de chimie et génie chimique, qui impliquent les étapes incrémentales suivantes :

  • Étudier les mécanismes de réaction dans des systèmes idéaux et parfaitement agités.
  • Calculer les propriétés cinétiques, thermodynamiques et de transport.
  • Étendre les recherches aux systèmes dépendant de l'espace.
    • Transport d'espèces chimiques
    • Transfert de chaleur
    • Ecoulements de fluides
    • Effets électrocinétiques

La méthodologie de travail décrite ci-dessus peut être appliqué dans de nombreux domaines différents qui impliquent des réactions chimiques et à toutes les échelles, de la nanotechnologie et des microréacteurs aux études environnementales et à la géochimie. L'ensemble du procédé, de la définition du modèle à la présentation des résultats, est documenté dans le logiciel pour des raisons de transparence et de reproductibilité.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Chemical Reaction Engineering

Le module Chemical Reaction Engineering offre une méthodologie de travail intégrée pour simuler des systèmes parfaitement mélangés en 0D, puis des phénomènes de transport en 2D et 3D.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Génie réactionnel en surbrillance et les résultats de la simulation d'un modèle de réacteur monolithique dans la fenêtre graphique.

Définition de la cinétique des réactions

La première étape de la modélisation d'un système consiste à établir les bilans de matière. À l'aide de l'interface Génie réactionnel, vous pouvez entrer des équations chimiques et obtenir automatiquement les équations du bilan matière pour les espèces chimiques et les équations du bilan énergétique du système. Lorsque vous saisissez le mécanisme de réaction, les expressions cinétiques en fonction des concentrations des espèces sont dérivées automatiquement de la loi d'action de masse pour les étapes élémentaires. Vous pouvez également saisir vos propres expressions analytiques pour la vitesse de réaction en fonction de la concentration des espèces et de la température.

Les bilans de matière et les expressions cinétiques des réactions donnent les équations différentielles ordinaires qui sont formulées automatiquement par le logiciel. Pour un réacteur batch parfaitement mélangé, la solution des équations donne la composition du mélange réactionnel en fonction du temps.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Expérience en surbrillance et un tracé 1D d'un modèle de dégradation de l'ADN dans la fenêtre graphique.

Estimation de paramètres

Les études des réactions chimiques et des mécanismes réactionnels reposent généralement sur l'estimation des facteurs de fréquence, des énergies d'activation et d'autres paramètres susceptibles de décrire quantitativement les observations expérimentales. Le module Chemical Reaction Engineering peut être combiné avec le module Optimization afin d'accéder à une interface dédiée à la cinétique chimique.

La méthodologie de travail typique pour réaliser une estimation de paramètres du modèle pour un mécanisme de réaction supposé est le suivant. Vous sélectionnez d'abord le paramètre du modèle à estimer, comme les constantes de vitesse, puis vous saisissez des valeurs initiales et des échelles pour ces paramètres. Ensuite, vous pouvez établir un lien avec le fichier qui contient les données expérimentales, en faisant correspondre les colonnes de données avec les variables du modèle. Une fois que l'estimation de paramètres est effectuée, vous comparez les résultats du modèle et les mesures expérimentales en post-traitement.

Une vue rapprochée des paramètres de transport d'espèces concentrées et d'un modèle de polymérisation à jets multiples dans la fenêtre graphique.

Transport d'espèces chimiques

La modélisation des phénomènes de transport dans les systèmes en réaction implique la description des espèces chimiques dans des modèles de transport multicomposants. Le module Chemical Reaction Engineering contient des modèles sophistiqués de transport multicomposants dans l'interface Transport d'espèces concentrées, où vous pouvez choisir entre la formulation de Maxwell-Stefan et les modèles de transport multicomposants à moyenne de mélange. Pour les solutions diluées, vous pouvez également choisir l'interface Transport d'espèces diluées, qui traite les cas où les interactions dans la solution sont dominées par les interactions soluté-solvant. Les équations de transport des espèces chimiques sont également disponibles pour les milieux poreux, par exemple pour inclure la diffusion de Knudsen. Le modèle de diffusion Dusty Gas est également inclus. La formulation du modèle de bilan massique ainsi que les propriétés de transport peuvent être obtenues directement à partir des équations chimiques lors de la génération d'un modèle dépendant de l'espace à partir de l'interface Génie réactionnel.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Transfert de chaleur dans les fluides en surbrillance et l'intensité de la vitesse d'un modèle de liquide de refroidissement du moteur dans la fenêtre graphique.

Transfert de chaleur

La fonctionnalité de transfert de chaleur incluse dans le module Chemical Reaction Engineering prend en compte le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement. Le terme de rayonnement est donné par le rayonnement de la surface vers l'environnement, tandis que le module Heat Transfer est nécessaire pour le rayonnement de surface à surface et le rayonnement dans les milieux participatifs. Les capacités de transfert de chaleur du module Chemical Reaction Engineering comprennent le transfert de chaleur dans les fluides, les solides et les milieux poreux. La formulation du modèle de transfert de chaleur, ainsi que les propriétés thermodynamiques et de transport, peuvent être obtenues directement à partir des équations chimiques lors de la génération d'un modèle dépendant de l'espace à partir de l'interface Génie réactionnel.

Une vue rapprochée des paramètres du système thermodynamique et un tracé 1D d'un modèle d'enveloppe de phase dans la fenêtre graphique.

Base de données de propriétés thermodynamiques

Le module Chemical Reaction Engineering contient une base de données de propriétés thermodynamiques, que vous pouvez utiliser pour calculer les propriétés des mélanges de gaz, des mélanges de liquides, des systèmes gaz–liquide à l'équilibre (calculs flash), des systèmes liquide–liquide, et des systèmes gaz–liquide–liquide à l'équilibre. Il existe une variété de modèles thermodynamiques qui peuvent être utilisés pour calculer la densité, la capacité thermique, l'enthalpie de formation, l'enthalpie de réaction, la viscosité, la conductivité thermique, la diffusivité binaire, l'activité et la fugacité. Pour en savoir plus sur cette fonctionnalité, consultez la page du module Liquid & Gas Properties, qui est incluse intégralement dans le module Chemical Reaction Engineering.

La base de données de propriétés thermodynamiques peut être utilisée pour créer un ensemble de propriétés pour un système de réactions spécifiques en sélectionnant les espèces chimiques présentes dans le système, les propriétés souhaitées et le modèle thermodynamique. Lors de la définition des mécanismes de réaction, les réactifs et les produits peuvent être mis en correspondance avec les espèces chimiques dans le package des propriétés défini par la base de données des propriétés thermodynamiques. Cette correspondance lie automatiquement les fonctions et les équations générées par le package de propriétés au modèle du système réactionnel.

L'interface utilisateur de COMSOL Multiphysics montrant le Constructeur de Modèles avec le noeud Générer un modèle dépendant de l'espace sélectionné, la fenêtre de réglages correspondante, et la concentration d'un réacteur tortueux dans la fenêtre graphique affichée dans la palette de couleurs AuroraBorealis.

Génération de modèles dépendant de l'espace

Une fois que vous avez un modèle fonctionnel pour un système parfaitement mélangé, vous pouvez utiliser ce modèle pour définir automatiquement les bilans de matière, d'énergie et de quantité de mouvement pour les systèmes dépendant de l'espace. Les propriétés de transport calculées dans l'interface Génie réactionnel (par exemple, la capacité thermique, la conductivité thermique, la viscosité et la diffusivité binaire) sont automatiquement transférées aux interfaces physiques pour le transport des espèces chimiques, le transfert de chaleur et l'écoulement des fluides. Cette fonctionnalité vous permet d'affiner et de perfectionner vos expressions cinétiques et thermodynamiques des réactions chimiques avant de passer aux modèles 2D, 2D axisymétriques et 3D.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Transport d'espèces diluées en surbrillance et un modèle de réacteur poreux dans la fenêtre graphique.

Ecoulements fluides

La fonctionnalité d'écoulemens de fluides incluse dans le module Chemical Reaction Engineering traite les écoulements laminaires et en milieu poreux. De plus, lorsqu'il est combiné avec le module CFD, il existe des couplages prêts à l'emploi pour la modélisation du transfert d'espèces chimiques dans un écoulement turbulent. La formulation du modèle d'écoulement du fluide ainsi que la viscosité et la densité peuvent être obtenues directement à partir des équations chimiques lors de la génération d'un modèle dépendant de l'espace à partir de l'interface Génie réactionnel.

Une vue rapprochée des paramètres des propriétés de transport et de la concentration d'une valve électrocinétique dans la fenêtre graphique.

Effets électrocinétiques

Lorsque vous modélisez le transport d'espèces diluées ou concentrées, vous pouvez inclure des champs électriques comme forces motrices du transport pour la modélisation des électrolytes et des ions. Les interfaces Nernst-Planck et Transport électrophorétique sont dédiées à la modélisation des électrolytes et peuvent inclure les formulations de l'équation de Poisson ou la condition d'électroneutralité pour l'équilibre des charges dans l'électrolyte. Les applications de cette fonctionnalité comprennent les vannes électrocinétiques, les écoulements électro-osmotiques et l'électrophorèse.

Réactions de surface et catalyse hétérogène

Les réactions en surface sont typiques de la catalyse hétérogène ainsi que des procédés de dépôt en surface comme le dépôt chimique en phase vapeur. On les retrouve dans l'industrie des produits chimiques en vrac, par exemple dans le procédé Haber-Bosch pour la production d'ammoniac et dans les microcapteurs pour la détection de très faibles quantités de traceurs qui peuvent s'adsorber sur des surfaces et être détectés, par exemple, par un changement des propriétés électriques.

Dans les modèles de transport-réaction, les réactions de surface peuvent être traitées comme des équations aux frontières couplées aux conditions limites pour les équations de transport et de réaction dans le volume. Ceci est typique pour les modèles à l'échelle microscopique ou inférieure. Alternativement, dans les milieux poreux, ces réactions sont traitées de la même manière que les réactions homogènes mais incluent la surface spécifique (surface par unité de volume du matériau poreux) et les propriétés de transport effectives. Cela serait typique des modèles à la fois à l'échelle microscopique et à l'échelle macroscopique, appelés modèles multi-échelles.

Le module Chemical Reaction Engineering comprend des formulations prêtes à l'emploi pour la catalyse hétérogène dans deux configurations : réactions de surface sur les faces de frontières ainsi que réactions de surface distribuées sur un catalyseur poreux homogénéisé. Pour les catalyseurs poreux, des modèles multi-échelles sont prédéfinis pour décrire des structures poreuses bimodales. Ces structures peuvent être constituées de granulés microporeux compactés pour former un lit de pellets macroporeux.

Chaque activité et chaque besoin en matière de simulation sont différents. Afin d'évaluer pleinement si le logiciel COMSOL Multiphysics® répond ou non à vos exigences, nous vous invitons à nous contacter. En parlant à l'un de nos représentants, vous obtiendrez des recommandations personnalisées et des exemples détaillés qui vous aideront à tirer le meilleur parti de votre évaluation et vous guideront pour choisir les options de licence les mieux adaptées à vos besoins.

Il vous suffit de cliquer sur le bouton "Contacter COMSOL", d'indiquer vos coordonnées et tout commentaire ou question spécifique, avant de soumettre votre demande. Vous recevrez une réponse d'un représentant de COMSOL très rapidement.

Prochaine étape:

Demander une démonstration du logiciel