COMSOL Chemical Reaction Engineering Module 6.3
DESCRIPCIÓN
Chemical Reaction Engineering Module es un módulo diseñado para estudiar sistemas reactivos que incluyan efectos de transporte de materiales y energía.
Arrancando con modelos independientes del espacio, el módulo tiene herramientas para investigar la cinética utilizando diferentes químicas, bajo las típicas condiciones controladas para la escala de laboratorio y de banco. Para simular condiciones de operación realistas, el módulo utiliza estas químicas y entonces incluye los efectos de variaciones espaciales y de temperatura.
El módulo está dirigido a aplicaciones industriales que incluyan el diseño de sensores en instrumentos analíticos, catalizadores y diseño de filtro en sistemas de escape para automoción, y desarrollo de procesos y productos de productos de consumo, productos químicos refinados y especiales, productos farmacéuticos, y procesado químico de volumen.
Chemical Engineering Module y Reaction Engineering Module han sido sustituidos por el nuevo Chemical Reaction Engineering Module en COMSOL Multiphysics v4.0a.
SECTORES
El Módulo de Ingeniería Química se puede usar en un campo amplio de aplicaciones. Algunos de estos áreas son:
- Química analítica y ciencia forense
- Reactores en lotes, fermentadores y cristalizadores
- Bioquímica y ciencia de alimentación
- Bioingeniería y aplicaciones de administración de medicamentos
- Combustión catalítica y reformación
- Dimensionado y optimización de reactores químicos
- Cromatografía y electroforesis
- Combustión química
- Corrosión
- Ciclones, separadores, unidades de fregado y lixiviación
- Química ambiental y atmosférica
- Control de emisión y tratamiento después del escape
- Filtración y sedimentación
- Baterías y pilas de combustible
- Intercambiadores de calor y mezcladores
- Flujo de dos fases homogéneas y heterogéneas — emulsiones, suspensiones, columnas de burbujas y sparging
- Catálisis homogénea y heterogénea
- Química y tecnología industrial
- Modelado cinético en reactores químicos
- Materiales y química de estado sólido
- Microfluídica y dispositivos lab-on-chip
- Transporte de multicomponentes y membranas
- Reactores de cama empacada
- Petroquímica y ruptura catalítica
- Síntesis farmacéutica
- reactores tubulares y de flujo enchufado
- Procesos de polimerización y dinámica de fluidos no newtoniana
- Cinética de polimerización y fabricación
- Pre-quemadores y motores de combustión interna
- Reformadores y convertidores catalíticos
- Fabricación de semiconductores y CVD
- Cinética de química superficial y adsorción
VERSIONES
6.3
NOVEDADES
Esta versión del módulo presenta modelos de precipitación y cristalización con un enfoque de equilibrio de población, configuración automatizada para modelos de flujo reactivo turbulento dependiente del espacio y nuevas plantillas de resultados para una visualización eficiente del transporte de masa de componentes múltiples.
Precipitación y cristalización con equilibrio poblacional
La nueva funcionalidad para modelar los procesos de precipitación y cristalización permite realizar estudios de procesos de separación en áreas como la industria química fina, la industria química a granel y la industria farmacéutica. En geometrías dependientes del espacio, la interfaz Precipitation and Crystallization in Fluid Flow combina la nueva interfaz Size-Based Population Balance con las interfaces Transport of Diluted Species y Laminar Flow. Calcula la distribución de la población en el tiempo y el espacio (es decir, resuelve la densidad numérica de todos los tamaños de partículas) teniendo en cuenta la nucleación de partículas, el crecimiento de partículas y el transporte de fluidos. La interfaz Precipitation and Crystallization in Fluid Flow también se puede utilizar para calcular la distribución de partículas en un modelo de reactor ideal. El modelo tutorial Precipitation of Barium Sulfate muestra esta nueva funcionalidad.
La ventana Settings de la interfaz de Size-Based Population Balance, que muestra las configuraciones para modelar el crecimiento controlado por transporte en un proceso de precipitación de sulfato de bario en 3D.
Generar modelos dependientes del espacio para flujo reactivo turbulento
Ahora es más fácil configurar modelos de flujo turbulento reactivo dependiente del espacio, lo que respalda los estudios en ciencias ambientales y en varias industrias, incluidas las industrias química, farmacéutica y de alimentos y bebidas. La función Generate Space-Dependent Model formula automáticamente modelos de flujo turbulento isotérmico y no isotérmico directamente a partir de reacciones químicas, lo que elimina la necesidad de una configuración manual de la turbulencia. Combina los modelos de turbulencia de Navier-Stokes (RANS) promediados por Reynolds con la interfaz Chemical Species Transport (y, para el flujo no isotérmico, también con la interfaz Heat Transfer in Fluids) y utiliza el modelo de Kays-Crawford de forma predeterminada para el transporte de masa y calor.
La ventana Settings para la función Generate Space-Dependent Model, que muestra las configuraciones para generar un modelo 3D de flujo de reacción no isotérmico en un reactor de polimerización multichorro.
Plantillas de resultados en las interfaces de transporte de especies químicas
La creación de gráficos útiles y visualmente atractivos de sistemas reactivos puede llevar mucho tiempo, ya que a menudo hay muchos reactivos y, por lo tanto, muchos campos de concentración para representar gráficamente. Para ahorrar tiempo, hay una serie de nuevas plantillas de resultados Result Templates en las interfaces Chemical Species Transport. Entre ellas, ahora hay disponibles plantillas de matriz de gráficos que incluyen hasta cuatro concentraciones de especies simultáneamente en la ventana Graphics. Las plantillas de resultados están disponibles para todas las interfaces de transporte de especies químicas, independientemente del producto complementario, pero son especialmente útiles para las interfaces de transporte multicomponente incluidas en los módulos de ingeniería química, así como en el módulo CFD Module, Porous Media Flow Module, Subsurface Flow Module y Microfluidics Module.
La ventana Result Templates y una matriz de gráficos de todos los campos de concentración modelados en el modelo tutorial Fine Chemical Production in a Plate Reactor.
Nuevos modelos tutoriales
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NOx and Ammonia Conversion in a Dual-Bed Monolithic Reactor
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Boat Reactor for Low-Pressure Chemical Vapor Deposition
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Precipitation of Barium Sulfate
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Liquid–Liquid Extraction
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6.2
NOVEDADES
Equilibrio para interfaces vapor-líquido
Se han añadido nuevas capacidades para modelar equilibrios gas-líquido que involucran soluciones concentradas. Esta funcionalidad está disponible como tres nuevas extensiones de la interfaz Transport of Concentrated Species: Vapor Inflow (para modelar flujo laminar y equilibrios de vapor en superficies de líquido puro), Vapor-Liquid Interface (para modelar entradas aguas arriba y flujo laminar con malla móvil) y Vapor-Liquid Mixture (para modelar flujo turbulento y límites de fase de mezcla vapor-líquido). Además, está disponible un nuevo conjunto de interfaces multifísicas para vaporización y condensación en una interfaz vapor-líquido en movimiento para modelar flujo de dos fases con malla móvil. Estas adiciones facilitan el modelado de equilibrios vapor-líquido y permiten incluir la condensación y la evaporación en modelos de flujo multifásico, que antes debían realizarse manualmente. Puede ver estas adiciones en uso en el modelo tutorial Evaporation of Ethanol and Water from a Wine Glass.
La funcionalidad de la interfaz Vapor-Liquid ejemplificada por una mezcla de etanol y agua.
Inicialización consistente del equilibrio químico
Para reacciones de equilibrio, se puede habilitar una nueva funcionalidad de Mass-preserving initialization en el nodo Initial Values de la interfaz Reaction Engineering, lo que aumenta sustancialmente la precisión y la robustez. Habilitar esta característica facilita la definición de equilibrios químicos sin la necesidad de calcular manualmente un estado inicial. Esto es especialmente útil para mecanismos de reacción complejos donde se supone que varias de las reacciones están en equilibrio. Vease esta adición en el nuevo modelo tutorial Acid-Base Equilibria and Copper Speciation in Ammonia Solution.
La ventana Settings para el nodo Initial Values en la interfaz de Reaction Engineering. El gráfico muestra las concentraciones de las diferentes especies representadas en la simulación.
Acceso a la funcionalidad de estimación de parámetros
El módulo Chemical Reaction Engineering se ha ampliado con nuevas capacidades para la estimación de parámetros que anteriormente requerían el módulo de optimización Optimization Module. Ahora se incluye la funcionalidad para definir múltiples objetivos a partir de datos experimentales, así como una variedad de resolvedores, incluidos los resolvedores IPOPT y Levenberg-Marquardt basados en gradientes y el resolvedor BOBYQA sin gradientes. Puede verse esta funcionalidad en uso dentro del nuevo modelo tutorial Pyrolysis of Wood.
La ventana Settings para el paso del estudio Parameter Estimation. El gráfico muestra una comparación entre las mediciones experimentales y los resultados de la simulación para la temperatura y la masa normalizada en un pellet de madera durante la pirólisis.
Flujo de reacción no isotérmico en medios porosos
Ahora puede modelarse el flujo reactivo no isotérmico en medios porosos con la función de acoplamiento Reacting Flow. Debido a que esta función ahora es totalmente compatible con dominios porosos, ya no es necesario incluir una función de acoplamiento Reacting Flow y Nonisothermal Flow, y ahora también puede usar esta función en combinación con la interfaz Heat Transfer in Porous Media. Con el nuevo enfoque disponible en la versión 6.2, se obtiene una transferencia constante de masa y calor debido al hecho de que toda la física conectada (fluido, masa y calor) utiliza la misma termodinámica, definida en una interfaz Chemistry. Además, la conservación del calor ahora es más precisa ya que la difusión de entalpía se incluye automáticamente. Tenga en cuenta que para utilizar esta funcionalidad, debe agregar una función Porous Medium a cada una de las tres interfaces de física de transporte: Transport of Concentrated Species, Darcy's Law, y Heat Transfer in Porous Media.
En la interfaz de Transport of Concentrated Species, ahora se admiten las funciones Porous Medium y Porous Catalyst. Ambas características facilitan las reacciones en un fluido, y la última permite las reacciones en la superficie de una matriz porosa. En las interfaces para transferencia de calor, ahora se admiten las opciones Local thermal equilibrium y Local thermal nonequilibrium.
El nuevo modelo tutorial Nonisothermal Reacting Flow in a Methane Steam Reformer demuestra la nueva funcionalidad del acoplamiento de flujo de reacción.
Configuraciones para el acoplamiento multifísico de flujo de reacción no isotérmico aplicado en medios porosos, ejemplificado en un reformador de vapor de metano.
Nuevos modelos tutoriales
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Parameter Estimation for Pyrolysis of Wood |
Precipitation of Barium Sulfate |
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Thermal Decomposition of Beta-Carotene in a Flow Reactor* |
Acid–Base Equilibria and Copper Speciation in Ammonia Solution |
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Nonisothermal Reacting Flow in a Methane Steam Reformer |
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 presenta una nueva interfaz multifísica de flujo bifásico disperso con transporte de especies, una opción de modelo de núcleo que se encoge para lechos empacados y fórmulas químicas avanzadas.
Flujo bifásico disperso con transporte de especies
La capacidad de modelar el transporte de especies químicas y las reacciones en un flujo de dos fases se ha mejorado enormemente con la nueva interfaz Dispersed Two-Phase Flow with Species Transport. Esta nueva interfaz multifísica describe el transporte de especies químicas entre dos fases que consisten en gotas de líquido o burbujas de gas en una fase líquida continua. Esta funcionalidad se puede utilizar para modelar procesos de separación, como extracciones líquido-líquido y depuración húmeda de gases de escape del proceso. Tales sistemas de dos fases son comunes tanto en la industria química fina como en general.
Concentración de un soluto extraído (izquierda) y campo de velocidad de fase continua (derecha) en columnas de extracción.
Modelo de núcleo retráctil para lechos empacados
Las reacciones heterogéneas en lechos empacados, con reactivos en fase gaseosa combinados con un reactivo sólido y un producto sólido, a menudo se describen mediante modelos de núcleos que se contraen. En tales procesos, la reacción heterogénea comienza en la parte más externa de las partículas sólidas. A medida que se forma el producto sólido, la zona de reacción se mueve hacia el centro de las partículas, formando un núcleo que se contrae. La función Packed Bed ahora incluye una opción Shrinking Core model que describe el núcleo de contracción del reactivo sólido y la difusión de los reactivos en fase gaseosa a través de la capa exterior del producto sólido. Esto facilita la modelización de procesos como la combustión de combustibles sólidos con producción de una capa de cenizas inertes y la producción de gránulos de óxido de silicio (cuarzo) a partir de silicio en procesos de oxidación del silicio.
Los ajustes del nodo Pellet muestran el Pellet Type configurado como Shrinking Core model. El gráfico muestra monóxido de carbono (azul) y dióxido de carbono (verde) en diferentes intervalos de tiempo, difundiéndose a través de la creciente capa porosoa de mineral de hierro reducido hasta el núcleo de mineral de hierro sin reaccionar en un gránulo.
Nueva visualización de gránulos
El nuevo gráfico de pellets permite la visualización simultánea de las especies que reaccionan en la mayor parte de la solución y dentro de los gránulos porosos. Con la nueva funcionalidad, un flujo de gránulos u objetos similares se puede visualizar como esferas o como tres círculos rellenos ortogonales (rebanadas).
Concentración de reactivos en un reactor de lecho empacado que consta de gránulos de catalizador esféricos.
Fórmulas químicas avanzadas
Ahora es posible utilizar fórmulas más avanzadas para especies químicas y reacciones químicas. Los signos de cierre (), [] y {} se pueden usar para indicar unidades estructurales en la fórmula molecular en un complejo de coordinación, por ejemplo. Para mejorar la legibilidad, se pueden usar nombres simplificados en la fórmula de reacción para indicar una especie completa o una parte de la estructura molecular. Cuando se realiza el balanceo de la reacción, se considera la composición y carga completas.
Formación del complejo Cr-EDTA a diferentes temperaturas cuando se utiliza EDTA para recuperar cromo de residuos de cuero.
Rendimiento mejorado de las evaluaciones de propiedades
El rendimiento mejorado de las evaluaciones de propiedades se nota en todos los cálculos de propiedades, como la densidad y la viscosidad, así como en las propiedades termodinámicas, como la capacidad calorífica y la presión de vapor. Los modelos en los que una parte importante del tiempo de solución se dedica a realizar evaluaciones de propiedades ahora se pueden resolver en hasta un 30 % menos de tiempo.
Funcionalidad mejorada para agregar especies a un sistema
Se ha ampliado y mejorado la funcionalidad para buscar especies en la base de datos y agregarlas a un modelo. Las especies filtradas de una búsqueda ahora se pueden agregar una a la vez usando la tecla Enter. Además, ya no es necesario restablecer el resultado del filtro cuando se ha agregado una especie.
Nuevos modelos tutoriales
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Evaporation of Ethanol and Water from a Wine Glass |
Continuous Mixer |
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Crystallization of Benzoic Acid in a Mixed Suspension, Mixed Product Removal Crystallizer |
6
NOVEDADES
La versión 6.0 ofrece una interfaz para modelar el flujo de reacciones no isotérmicas, una gestión mejorada de materiales porosos y una nueva funcionalidad de catalizador poroso.
Flujo de reacción no isotérmica
Ahora hay interfaces multifísicas de Flujo reactivo no isotérmico que configuran automáticamente modelos de flujo reactivo no isotérmico. El acoplamiento multifísico Reacting Flow hace que el modelado de flujo reactivo no isotérmico sea mucho más fácil. La nueva formulación brinda un balance de energía consistente cuando se usan reacciones de la interfaz de Química y la interfaz de Transferencia de calor. Anteriormente, el balance de energía tenía que definirse manualmente. El uso de la interfaz Química también brinda la capacidad de usar las propiedades termodinámicas de la base de datos integrada en el Módulo Chemical Reaction Engineering. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo tutorial Dissociation in a Tubular Reactor.
Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las características sólidas y fluidicas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material. Vease esta nueva actualización en el modelo tutorial NOx Reduction in a Monolithic Reactor.
Funcionalidad de catalizador poroso para reacciones heterogéneas y adsorción
La funcionalidad de Lecho enpacado se complementa ahora con una nueva funcinalidad de Catalizador poroso disponible en las interfaces de Transporte de especies diluidas y Transporte de especies concentradas. Esta nueva característica define una red o lecho empacado que consta solo de macroporos. Esto significa que la matriz, el esqueleto o las partículas que forman la matriz macroporosa no son porosas en sí mismas. Esto simplifica enormemente la definición del modelo y cubre sistemas como membranas porosas, filtros y otros dispositivos comunes en ingeniería química y ciencia de materiales. Con la nueva funcionalidad, es posible definir reacciones heterogéneas, así como procesos de adsorción y desorción.
Temperatura de un modelo de reformador a vapor.
Flujo de reacción turbulento con especies diluidas
La funcionalidad de acoplamiento Reacting Flow, Diluted Species se ha ampliado con la capacidad de tratar soluciones diluidas y flujo turbulento. Con la nueva funcionalidad, solo se definen las interacciones solvente-soluto, lo que simplifica enormemente la definición y solución de las ecuaciones del modelo, lo que reduce el coste computacional. Puede verse esta nueva función en el modelo tutorial Turbulent Mixing in a Stirred Tank.
Concentración de un modelo de reactor de placas.
Deslizamiento poroso para la interfaz de ecuaciones de Brinkman
La capa límite en el flujo en medios porosos puede ser muy delgada y poco práctica de resolver en un modelo de ecuaciones de Brinkman. La nueva opción de tratamiento de paredes deslizantes porosas permite tener en cuenta las paredes sin resolver el perfil de flujo completo en la capa límite. En cambio, se aplica una condición de tensión en las superficies, lo que produce una precisión decente en el flujo masivo mediante la utilización de una solución asintótica del perfil de velocidad de la capa límite. La funcionalidad se activa en la ventana Ajustes de la interfaz de Ecuaciones de Brinkman y luego se utiliza para la condición de pared predeterminada. Esta nueva característica se puede utilizar en la mayoría de los modelos que involucran flujo subterráneo descrito por las ecuaciones de Brinkman y donde el dominio del modelo es grande.
El flujo y campo de concentración de un modelo de reactor poroso.
Transferencia de calor en medios porosos
La funcionalidad de transferencia de calor en medios porosos se ha renovado para que sea más fácil de usar. Una nueva área física de Medios porosos ahora está disponible en la rama de Transferencia de calor e incluye las interfaces de Transferencia de calor en medios porosos, Desequilibrio térmico local y Transferencia de calor en lecho empacado. Todas estas interfaces tienen una función similar, la diferencia es que el nodo Medio poroso predeterminado dentro de todas estas interfaces tiene una de tres opciones seleccionadas: Equilibrio térmico local, Desequilibrio térmico local o Lecho empacado. La última opción ha sido descrita anteriormente. La interfaz de Desequilibrio térmico local, que reemplazó al acoplamiento multifísico, corresponde a un modelo de dos temperaturas: una para la fase fluida y otra para la fase sólida. Las aplicaciones típicas pueden implicar un calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso debido a la fuerte convección en la fase líquida y la alta conducción en la fase sólida, como en las espumas metálicas. Cuando se selecciona la interfaz Equilibrio térmico local, hay nuevas opciones de promedio disponibles para definir la conductividad térmica efectiva según la configuración del medio poroso.
Flujo no isotérmico en medios porosos
La nueva interfaz multifísica de Flujo no isotérmico, Ecuaciones de Brinkman añade automáticamente el acoplamiento entre la transferencia de calor y el flujo de fluido en medios porosos. Combina las interfaces Transferencia de calor en medios porosos y Ecuaciones de Brinkman. Puede verse esta nueva característica en el modelo tutorial Free Convection in a Porous Medium.
El ejemplo tutorial Free Convection in a Porous Medium hace uso de la nueva funcionalidad de flujo no isotérmico. Temperatura (K) en una estructura porosa sometida a gradientes de temperatura y posterior convección libre.
Nuevo método para calcular la viscosidad: el modelo de viscosidad de Davidson
Un nuevo modelo de Davidson para calcular la viscosidad en mezclas multicomponente basado en las contribuciones de los diferentes componentes al impulso de un gas en el sistema. Los únicos datos requeridos para calcular la viscosidad en el modelo de Davidson son los pesos moleculares y las viscosidades de los componentes puros a la temperatura y presión dadas. El modelo de Davidson es computacionalmente eficiente y es tan preciso como los mejores modelos disponibles para estimar la viscosidad de mezclas binarias de gases.
Isosuperficies que muestran la conversión de NO en un reactor monolítico.
Transferencia de calor multiescala en lechos de pellets
Se ha añadido una nueva interfaz de Transferencia de calor en lechos empacados para modelar la transferencia de calor en lechos de pellets. El lecho de gránulos se representa como un medio poroso formado por fluido y gránulos. Los gránulos se modelan como partículas esféricas porosas homogeneizadas en las que la temperatura varía radialmente. La distribución de temperatura en los gránulos se calcula para cada posición en el lecho empacado. Está acoplado a la temperatura del fluido circundante a través de un flujo de calor intersticial entre las superficies de los gránulos y el fluido.
La nueva funcionalidad es útil para modelar el calor en sistemas de almacenamiento de energía térmica de lecho empacado o la reacción química en un lecho empacado cuando se combina con la función correspondiente para el transporte de especies químicas. Vea esta nueva función en el nuevo modelo tutorial Packed Bed Thermal Energy Storage System.
Distribución de temperatura dentro de un gránulo sólido localizado en medio de la geometría.
Temperatura del fluido y del pellet en todo el dominio.
Nuevos modelos tutoriales
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Oscillations in Metabolic Reaction Networks |
Gold Recycling Through Oxidative Dissolution |
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Cubic Autocatalysis: Exploring the Gray–Scott Model |
5.6
NOVEDADES
Equilibrio de reacción automático
Los errores tipográficos y los errores en las ecuaciones químicas que involucran muchos reactivos y productos pueden ser difíciles de descubrir al definir un modelo. Con COMSOL Multiphysics® versión 5.6, el Módulo de Ingeniería de Reacciones Químicas introduce el análisis sintáctico de elementos químicos para realizar el balance estequiométrico de reacciones. El equilibrio atómico asegura que los elementos químicos se conserven en una ecuación química. Al hacer clic en el botón Equilibrar, se calculan automáticamente los coeficientes estequiométricos para conservar todos los elementos. Además, el análisis de elementos atómicos también permite el cálculo automático de las masas molares de las especies químicas (compuestos).
Ecuación química antes de hacer clic en el botón Balance.
Ecuación química después de hacer clic en el botón Balance.
Sistemas termodinámicos predefinidos
El aire seco, el aire húmedo y el vapor de agua están disponibles como sistemas termodinámicos predefinidos para modelar el control del clima y para las reacciones químicas que tienen lugar en el agua o el aire. Para modelar aplicaciones de CFD, transferencia de calor y acústica, estos sistemas termodinámicos pueden generar los materiales correspondientes en el nodo Materiales. Las diferentes variantes de aire (seco, húmedo, vapor) definen automáticamente las especies: nitrógeno, oxígeno, agua, argón, dióxido de carbono, neón y helio.
Los tres sistemas predefinidos para aire seco, aire húmedo y vapor de agua.
Partículas reactivas para soluciones concentradas
La nueva función Lecho de partículas reactivas proporciona una plantilla para modelar el transporte y las reacciones en reactores de lecho fijo con estructura de poro bimodal. Puede modelar, por ejemplo, lechos fijos que constan de partículas esféricos donde las propios partículas son porosas. Esto produce un sistema con macroporos que se encuentran entre las partículas y microporos dentro de las partículas del catalizador. El transporte y las reacciones de las especies concentradas en los macroporos y los microporos se modelan en diferentes sistemas de coordenadas y a diferentes escalas, pero todos están conectados.
La coordenada radial en la microescala, r, se define en cada punto en el macrosistema 3D definido por x , y , y z. Las ecuaciones de transporte y reacción en la microescala se resuelven y se acoplan a las ecuaciones de transporte en la macroescala.
La función Lecho de partículas reactivas proporciona varios ajustes predefinidos para especificar la reacción de los gránulos dentro de un reactor de lecho fijo. En la ventana Ajustes, que se muestra aquí, puede especificarse la forma del gránulo, la distribución del tamaño del gránulo, el radio, la porosidad y la temperatura.
Nueva función de medio poroso
Se encuentra disponible una nueva característica para el manejo de un medio poroso para definir las diferentes fases: sólidos, fluidos y fluidos inmóviles. En la interfaz Transferencia de calor en medios porosos, la función Medio poroso se utiliza para gestionar la estructura del material con una subfunción dedicada para cada fase: fluido , matriz porosa y, opcionalmente, fluidos inmóviles. Este nuevo flujo de trabajo proporciona mayor claridad y mejora la experiencia del usuario. También facilita los acoplamientos multifísicos en medios porosos de una forma más natural. Combinado con el transporte de humedad y el flujo de medios porosos interfaces, las mejoras en la transferencia de calor en medios porosos permiten modelar el flujo no isotérmico y el almacenamiento de calor latente en medios porosos.
Un material poroso con un fluido, un sólido y un fluido inmóvil combinado con la función de medio poroso en la interfaz de transferencia de calor en medios porosos. La ventana Ajustes muestra la selección del modelo que define la conductividad térmica efectiva de las diferentes fases en el medio poroso.
Características renovadas de los medios porosos para el transporte de especies diluidas
La interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos se ha renovado para utilizar el nuevo nodo Medio poroso. Dos nuevas características de dominio, los nodos de Medio poroso y Medio poroso insaturado, están disponibles en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos. Puede utilizarse el nuevo nodo Medio poroso para asignar propiedades de material a las múltiples fases en un medio poroso. Los nuevos nodos tienen contenedores dedicados para definir las propiedades del líquido, el gas y la matriz porosa. Puede verse esta funcionalidad en el tutorial "Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core".
Concentración de contaminantes en una vela de filtro de agua cerámico.
Detección automática de material de gas ideal en transferencia de calor en fluidos
La funcionalidad Fluido, disponible dentro de las diversas interfaces de transferencia de calor, ha sido actualizada para aprovechar la asunción de gas ideal para mejorar la eficiencia computacional. La nueva opción Desde material de la lista Tipo de fluido detecta automáticamente si el material aplicado en cada selección de dominio es un gas ideal o no, y utiliza las propiedades relevantes para cada caso. Esto puede acelerar el cálculo cuando se calcula el trabajo de la presión en flujos no isotérmicos compresibles, por ejemplo. Dado que los gases disponibles en COMSOL Multiphysics® y en la Biblioteca de materiales se modelan como gases ideales, se espera que muchos modelos con flujo no isotérmico compresible se beneficien de esta mejora.
Distribución de temperatura (gráfico de superficie) y velocidad (flechas y líneas de corriente) en una bombilla LED. Al utilizar la formulación de gas ideal automáticamente, el tiempo de cálculo es un 10% más corto en COMSOL Multiphysics ® versión 5.6.
Nuevos modelos tutoriales
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Beer Fermentation Reactor |
Heat Pipe |
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Phase Envelope |
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5.5
NOVEDADES
La versión 5.5 incluye la habilidad de generar materiales a partir de un sistema termodinámico, modelos de difusividad para gases y líquidos, y propiedades de agua y vapor.
Generar material desde un sistema termodinámico
Cuando se estudia una mezcla con múltiples especies químicas, el nodo de termodinámica puede ser utilizado para analizar cómo dependen las propiedades de la mezcla de la composición y de las condiciones del sistema. Reconociendo que la forma más conveniente de definir propiedades físicas en COMSOL Multiphysics® es utilizar un material, ahora se puede generar automáticamente un nodo de material a partir de un sistema termodinámico. Pueden incluirse en el material propiedades como la densidad, capacidad calorífica, viscosidad dinámica, difisovodad y la conductividad térmica. Una vez que el material se ha creado, puede ser utilizado para definir propiedades a través de múltiples interfaces físicas, por ejemplo, para modelar flujo de fluido, transferencia de calor, y o transferencia de masa. Se puede ver esta nueva funcionalidad en los modelos Engine Coolant Properties y Analysis of NOx Reaction Kinetics.
El material "Liquid: ethylene glycol-water" es creado a partir del ayudante Generate Material, disponible en el menú contextual de un Sistema Termodinámico.
Modelos de difusividad para gases y líquidos
Se han añadido a los sistemas termodinámicos una serie de modelos para la difusividad en gases y líquidos. Cuando se estudian sistemas diluidos donde una especie solvente está en exceso, se pueden crear fácilmente funciones para los coeficientes de difusión en una dilución infinita. Para estudiar sistemas concentrados, pueden crearse funciones para las difusividades Maxwell–Stefan. Puede verse esta nueva funcionalidad en el modelo Analysis of NOx Reaction Kinetics.
Coeficientes de difusión para especies de soluto en un sistema en fase de gas donde el nitrógeno está en exceso.
Propiedades de agua y vapor
Un nuevo modelo termodinámico para sistemas de agua y vapor está ahora disponible. El modelo incluye correlación de propiedades sugeridas por la International Association for Properties of Water and Steam (IAPWS). Con esta funcionalidad se puede evaluar termodinámica precisa y propiedades de transporte a través de todas las fases, desde agua líquida y vapor húmedo hasta vapor sobrecalentado. Para el vapor, ahora están disponibles propiedades del gas real cercanas a la saturación y cerca del punto crítico. Para agua líquida, se proporciona la proximidad del punto de ebullición, entre otros.
Diagrama de fase presión-entalpía para agua líquida y vapor generado utilizando el nuevo modelo termodinámico de Agua (IAPWS).
Generación de una interfaz química para un sistema termodinámico
De forma similar a crear materiales ahora se puede crear automáticamente una interfaz Chemistry desde el sistema termodinámico. La interfaz Chemistry se configurará para incluir las mismas especies, así como las propiedades de mezcla y transporte a ser utilizadas, automáticamente definidas desde la contraparte termodinámica. Esto facilita comenzar definiendo un sistema termodinámico, incluyendo un número de especies químicas, y entonces creando un sistema químico correspondiente. Además, se pueden definir reacciones entre las especies, y la interfaz Chemistry puede utilizarse para simular transporte de masa y reacciones en tanques u otros equipos de procesos químicos. Esta nueva funcionalidada puede verse en el modelo Dissociation in a Tubular Reactor.
5.4
NOVEDADES
- Nuevas funcionalidades en la interfaz Transport of Diluted Species: Partition Condition, Surface Reactions, y Fast Irreversible Surface Reaction.
- Nuevas funcionalidades en la interfaz Transport of Concentrated Species; Equilibrium Reaction y Surface Equilibrium Reaction.
- Una nueva funcionalidad de acoplamiento Reacting Flow, Diluted Species.
- Una nueva funcionalidad User Defined Species ahora disponible en la interfaz Thermodynamics.
- La funcionalidad Thermodynamic System reemplaza a Property Package. La funcionalidad utilizada para cálculos termodinámicos ahora se llama Thermodynamic System.
- Las fases del sistema se reflejan en la etiqueta por defecto. Por ejemplo se crea un nodo Vapor-Liquid System para un sistema que incluye una fase de vapor y una líquida.
- El nodo Thermodynamics se añade automáticamente al crear una funcionalidad termodinámica (Thermodynamic System o User-Defined Species).
- Los parámetros y funciones se ordenan bajo la respectiva funcionalidad Thermodynamic System.
- Las propiedades de especies se recogen bajo un nodo con el nombre especies.
- Los nodos de propiedades Mixture y Equilibrium Calculation se recogen bajo un nodo Mixture.
- Las propiedades para una fase específica se recogen en nodos con el nombre de la fase.
- Interfaz de usuario mejorada para controlar los modelos termodinámicos y modelos de propiedad en un sistema termodinámico.
- Dos ajustes, Liquid phase model y Gas phase model, ahora se utilizan para controlar los modelo termodinámicos para sistemas de dos fases y tres fases.
- Todos los modelos de propiedades pueden ser inspeccionados y editados en una tabla.
- Interfaz de usuario mejorada para parámetros de interacción binaria en un sistema termodinámico.
- Todos los parámetros de interacción binaria que actualmente están en uso pueden ser inspeccionados y editados en una tabla.
- Interfaz de usuario mejorada para las difusividades Maxwell-Stefan en la interfaz de Transport of Concentrated Species. Utilizando la entrada de tabla, se muestra claramente cada par de especies.
- Soporte para crear las nuevas funcionalidades Equilibrium Reaction y Surface Equilibrium Reaction (en la interfaz Transport of Concentrated Species), desde la funcionalidad Generate Space-Dependent Model en la interfaz Reaction Engineering.
- Soporte para definición automática de la constante de equilibrio ahora disponible en la interfaz Reaction Engineering y la de Chemistry.
- El soporte para evaluación automática del calor de reacciones para condición isotérmica ahora está disponible en las interfaces Reaction Engineering y Chemistry cuando están completamente acopladas a un Thermodynamic System.
- Ordenación mejorada de variables de postprocesado en interfaces de transporte de maasa.
- Formulación actualizada para los nodos Flux y No Flux incluidos en las interfaces de tranposrte de masa.
- El flujo relativo al flujo convectivo se prescribe en lugar del flujo total.
- La nueva formulación implica que los nodos pueden ser utilizados en una geometría de malla móvil sin compensar la velocidad del contorno.
- Interfaces afectadas: Transport of Diluted Species, Transport of Diluted Species in Porous Media, Transport of Concentrated Species, Nernst-Planck Equations, and Electrophoretic Transport.
- Visualización de ecuación actualizada para ecuaciones gobernantes y condiciones de contorno en las interfaces de tranporte de masa. Ecuaciones actualizadas para ser formuladas en términos del flujo relativo al flujo convectivo.
- Un nuevo ajuste, Account for Stefan velocity, está disponible en los nodos Flux and Mass Fraction en la interfaz Transport of Concentrated Species.
5.3a
NOVEDADES
La versión 5.3a incluye una base de datos de propiedades termodinámicas para fluidos, funcionalidad para acoplar estas propiedades a las interfaces de ingeniería de reacciones y tres modelos tutoriales para demostrar la nueva funcionalidad.
Funcionalidad integrada para calcular propiedades termodinámicas
La base de datos de propiedades termodinámicas del módulo Chemical Reaction Engineering Module posibilita el cálculo de propiedades de fluidos como la entalpía de formación, entalpía de reacción, capacidad calorífica, conductividad térmica, densidad, difusividad y composición de equilibrio. Estas propiedades pueden calcularse para fluidos puros, mezclas y para sistemas de fluidos bifásicos que consten de componentes puros y mezclas.
Se puede crear un paquete de propiedades para un sistema específico, que especifique las especies disponibles y las fases (estados de agregación) que puedan estar presentes en el sistema modelado. El paquete de propiedades define y evalúa las funciones para propiedades termodinámicas y de tranporte del sistema químico, por ejemplo, las propiedades de especies y mezclas para líquidos, gases, equilibrios gas-vapor (cálculos flash) y equilibrios líquido-líquido.
La base de datos integrada contiene propiedades de transporte y termodinámicas para 251 especies químicas o compuestos. La funcionalidad Paquete de propiedades externas enlaza a paquetes conformes con CAPE-OPEN para calcular funciones de propiedades además de las de la base de datos integrada.
Ventana de ajustes para un Paquete de Propiedades. Se seleccionan las especies para el proceso de reformación del metano de la base de datos termodinámicos integrada.
Definición automática de propiedades termodinámicas mediante acoplamiento a paquetes de propiedades
Siguiendo la creación de un paquete de propiedades se pueden acoplar especies químicas en él con especies químicas definidas en las interfaces de Ingeniería de reacciones o Química. Esto implica que todas los parámetros de propiedades de las especies y funciones de propiedades, requeridos por estas interfaces, pueden crearse automáticamente por el paquete de propiedades. Ejemplos de propiedades de especies que pueden ser creadas automáticamente son la masa molar, la capacidad calorífica, entalpía y entropía de cada especie. Las interfaces Ingeniería de reacciones y Química también pueden ser utilizadas para definir propiedades de transporte para la mezcla resultante (todas las especies en la interfaz). Cuando se acoplan pueden crearse automáticamente las siguientes propiedades de la mezcla: capacidad calorífica, densidad, difusividad, conductividad térmica y viscosidad dinámica.
El uso de un paquete de propiedades incrementa significativamente las capacidades de modelado en las interfaces de Ingeniería de reacciones y Química. Todos los modelos termodinámicos ideales y no ideales, para gases y líquidos, están disponibles directamente y son actualizados automáticamente editando los ajustes para el paquete de propiedades. Más aún, la interfaz Química puede utilizarse para hacer que las propiedades de la mezcla estén fácilmente disponibles en modelos dependientes del espacio para el modelado de tranporte de masa, transferencia de calor o flujo de fluido.
La ventana de ajustes de una interfaz de Ingeniería de reacciones cuando se acopla a un Paquete de propiedades. Las especies en la interfaz de Ingeniería de reacciones pueden coincidir con el paquete de propiedades termodinámicas.
La densidad, viscosidad, capacidad calorífica y conductividad térmica para el fluido refrigerante en un motor de combustión de cuatro cilindros se calcula con un paquete de propiedaes termodinámicas. Se corre un análisis del flujo del fluido y transferencia de calor completamente acoplado con las funciones de propiedades termodinámicas y de transporte.
Interfaz de flujo en medios libre y poroso renovada
Con la nueva versión de la interfaz Flujo en medio libre y poroso se puede acoplar flujo laminar o libre turbulento con flujo en medios porosos. Esta interfaz sigue siendo única en su acoplamiento con las interfaces electroquímicas para el modelado de electrodos porosos.
Modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman
El modelo de permeabilidad de Kozeny-Carman, disponible para la interfaz de Ley de Darcy en COMSOL Multiphysics 5.3a, permite estimar la permeabilidad de medios granulares a partir de la porosidad y el diámetro de las partículas.
Nuevo modelo tutorial: Hydrodealkylation in a membrane reactor
Una de las principales utilidades de la base de datos de propiedades termodinámicas es para modelar sistemas reactivos en química e ingeniería química. El proceso de hidrodesalquilación llevada a cabo en un reactor de membrana es modelado utilizando las evaluaciones termodinámica y de propiedades físicas integradas. El problema de transporte y reacción se define y resuelve con un paquete de propiedades termodinámicas para un reactor tubular con y sin membrana.
Tasa de flujo molar en la salida del reactor de membrana como función de la longitud del reactor para el reactor de membrana.
Nuevo modelo tutorial: Engine Coolant Properties
Una posible segunda aplicación de la base de datos de propiedades termodinámicas es el modelado de problemas de flujo de fluido puro que involucren transferencia de calor, p. ej., sin reacciones químicas involucradas. En este modelo tutorial, se pueden investigar las propiedades de un refrigerante líquido para motores de combustión interna. Aunque el agua pura funciona bien como refrigerante, para evitar que se congele a bajas temperaturas, normalmente se utiliza una mezcla de etilenglicol y agua para bajar el punto de congelación. Aquí se utiliza la funcionalidad termodinámica integrada para mostrar cómo todos, el punto de ebullición, densidad, viscosidad, conductividad térmica y capacidad térmica, dependen de la composición de la mezcla refrigerante, y cómo cambios en estas propiedades afectan al proceso de enfriamiento.
Se considera la temperatura del refrigerante dentro del dispositivo de test.
Nuevo modelo tutorial: Distillation column
La tercera posible aplicación de la nueva base de datos de propiedades termodinámicas es el modelado de la nueva base de datos de propiedades termodinámicas es para modelar los procesos de separación que involucren cálculos flash, por ejemplo, destilación. Este tutorial muestra cómo hacer un modelo simple de un proceso de destilación binaria, modelando la separación de una mezcla de líquido no ideal de etanol y agua. El proceso de destilación se realiza en una columna empacada utilizando la diferencia en volatilidad para separar las especies en gas a contracorriente y fases líquidas. El modelo utiliza una función de Cálculo de Equilibrio de la nueva base de datos de propiedades termodinámicas integrada. El objetivo del modelo es encontrar el diseño óptimo de la columna, en términos de longitud de las secciones de pelado y rectificación, para encontrar un conjunto de destilados y composiciones de fondo predefinidas.
Diagrama x-y (diagrama de fase) que muestra las líneas de operación calculadas dentro de la columna de destilación.
5.3
NOVEDADES
Chemical Reaction Engineering Module 5.3 incluye nuevas interfaces físicas para modelar flujo reactivo en medios porosos, transporte de especies químicas en fracturas, separación de cargas con ecuaciones de Nernst-Planck y ecuación de Poisson y flujo electroforético.
Nueva interfaz de flujo reactivo en medios porosos
Modelar camas empacadas, reactores monolíticos y otros reactores heterogéneos catalíticos se simplifica sustancialmente con la interfaz de Flujo reactivo en medios porosos. Esta define la difusión, convección, migración y reacción de especies químicas para flujo en medios porosos, sin tener que configurar interfaces separadas y acoplarlas. La interfaz multifísica automáticamente combina todos los acoplamientos e interfaces físicas requeridas para el modelado de catálisis heterogéneas junto con flujo en medios porosos y transporte de especies químicas diluidas o concentradas.
Como que esta interfaz multifísica complementa a otras similares para flujo laminar y turbulento, se puede cambiar o definir nuevos acoplamientos a otros tipos de modelos de flujo sin tener que redefinir y configurar una nueva interfaz para los fenómenos físicos participantes. La ventana de Ajustes permite seleccionar el tipo de flujo a modelar así como el transporte de las especies químicas, sin pérdida de ninguna de las propiedades de los materiales definidas o las cinéticas de reacción. Esto significa que se pueden comparar diferentes estructuras de reactores o modelar flujo tanto en medios libres como en medios porosos en un reactor, incluso cuando los dos regímenes están conectados (ver imagen).
Modelado de un microrreactor poroso mostrando las isosuperficies de concentración de un reactivo inyectado a través de una aguja vertical en un flujo libre que contiene un segundo reactante que entonces se fuerza a través de una sección de medios porosos catalítica monolítica del reactor. El modelo ahora puede ser definido completamente con la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo en medios porosos.
Nueva interfaz de Transporte de especies diluidas en fracturas
Las Fractura tienen un grosor que es muy pequeño en comparación con sus dimensiones de longitud y anchura. A menudo es difícil de modelar el transporte de especies químicas en tales fracturas teniendo que mallar el grosor de la superficie de la fractura, debido a la relación de aspecto que hay que tratar por las grandes diferencias en las dimensiones de los tamaños. La nueva interfaz de Transporte de especies diluidas en fracturas trata la fractura como una placa, donde únicamente las dimensiones transversales son malladas como una malla superficial..
La interfaz permite definir el grosor medio de la fractura, así como la porosidad en los casos donde la fractura se considera como una estructura porosa. Para el transporte de especies químicas, la interfaz permite la definición de modelos de difusividad efectiva para incluir efectos de porosidad. Se puede acoplar transporte convectivo a una interfaz de Flujo de película delgada o incluyendo sus propias ecuaciones para definir el flujo del fluido a través de la fractura. Además, puede definirse que ocurran reacciones químicas dentro de las fracturas, en sus superficies o en un medio poroso que abarque la fractura.
Transporte de especies diluidas a lo largo de una superficies de fractura ligeramente curvada. La superficie curvada consta de una tortuoso camino grabado a través de la superficies donde existen flujo y transporte de especies químicas.
Superficies de fractura en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos
En casos donde el transporte ocurre en una fractura, estructura porosa 3D, la nueva condición de contorno Fractura permite modelar transporte en fracturas delgadas sin tener que mallarlas como entidades 3D. La condición de contorno Fractura es incluida en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos (ver imagen) y tiene los mismos ajustes que la interfaz de Transporte de especies diluidas en fracturas (descrita anteriormente). El flujo de fluido y el transporte de especies químicas se acoplan perfectamente entre una estructura de medio poroso 3D y un flujo de fluido y tranporte de especies químicas en una fractura.
la imagen inferior muestra el campo de concentración en un modelo de reactor poroso. En el modelo, una fractura retorcida "filtra" reactantes profundamente en el catalizador poroso, de izquierda a derecha, a una velocidad más rápida que el transporte a través del medio poroso. Esto ocurre así porque la superficie de la fractura tiene una porosidad media mucho más alta en comparación con el catalizador poroso circundante, que proporciona una tasa de transporte de masa más alto.
Niveles de concentración a través del reactor 3D y concentración de superficie en la superficie de la fractura. La tasa de transporte de masa más alta en la superficie de la fractura proporciona una penetración más grande (de derecha a izquierda) de especies no reaccionadas en la cama del catalizador. Se puede ver que el cambio en la concentración de derecha a izquierda es muy pequeña en la superficie de la fractura (de 0.63 a 0.62 mol/m3)
Funcionalidad termodinámica actualizada para bases de datos CAPE-OPEN
La interfaz de usuario para definir funciones termodinámicas y Paquetes de propiedades de bases de datos que siguen CAPE-OPEN han sido simplificada para que sea más fácil y transparente enlaza el módulo de ingeniería de reacciones químicas con bases de datos externas.
Nueva interfaz de ecuaciones Nernst-Planck-Poisson
El transporte de iones en electrolitos sujetos a campos eléctricos está conducido por difusión, migración y convección, que se describen por las ecuaciones de Nernst-Planck. En los casos donde el campo eléctrico es grande, es posible obtener separación de cargas (desviación de la electroneutralidad) localmente en el electrolito, por ejemplo cerca de las superficies del metal o cerámica. La separación de carga puede ser modelada con las ecuaciones de Nernst-Planck en combinación con la ecuación de Poisson para conservación de la carga. La última versión del módulo contiene la interfaz de Ecuaciones de Nernst-Planck-Poisson para modelar este tipo de sistemas.
Nueva interfaz de transporte electroforético
La nueva interfaz de Transporte electroforético puede utilizarse para investigar el transporte de ácidos débiles, bases, y anfólitos en solventes acuosos. La interfaz física típicamente se utiliza para modelar varios modos electroforéticos, como electroforesis zonal, isotacoforesis, enfoque isoeléctrico y electroforesis de contorno móvil, pero es aplicable a cualquier sistema acuoso que involucre múltiples equilibrios ácido-base.
Nuevo tutorial: Zone Electrophoresis
Este tutorial sirve como una introducción para la interfaz de Transporte electroforético. Se configura un problema de electroforesis zonal para la separación de una muestra que contiene anilina y piridina.
Tutorial actualizado: Separación isoeléctrica
Este ejemplo aplica las interfaces Transporte electroforético y Flujo laminar para modelar separación isoeléctrica en un dispositivo de electroforesis de flujo libre. Una corriente que contiene cuatro proteínas diferentes las separa en corrientes concentradas por medio de transporte migrativo en un campo eléctrico.
5.2a
NOVEDADES
Los usuarios del módulo Chemical Reaction Engineering Module, encontrarán en la versión 5.2a una nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo para acoplar flujo de fluido y reacciones en gases y líquidos, así como capacidades para modelar reacciones de especies de superficie en la funcionalidad de Cama de gránulos reactivos y exportar la cinética de reacciones de superficie en la interfaz de Ingeniería de reacciones.
Nueva funcionalidad para las opciones de Cama de gránulos reactivos: Reacciones de superficie
La funcionalidad de Cama de gránulos reactivos ahora permite modelar reacciones de especies de superficie utilizando la funcionalidad de Reacciones de superficie. La especies de superficie, disponibles en la interfaz de Transporte de especies diluidas y en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos, se considera que son adsorbidas (inmóviles) en las paredes del poro dentro de los gránulos de los poros. Se puede modelar cualquier número de especies de superficie y sus correspondientes reacciones.
La concentración de superficie dentro de los de las partículas porosas forman una cama catalítica (concentración en la superficie de los poros dentro de los gránulos), simulada utilizando la funcionalidad Reactive Pellet Bed. Una especie de volumen es transportada pasado y a través de partículas porosas catalíticas. La especie reacciona en la interfaz fluido-matriz dentro de los gránulos que forman la partícula. La velocidad del fluido de volumen y la concentración de superficie son visualizadas. La concentración de superficie media resultante en la partícula porosa se muestra junto con la concentración dentro de un gránulo simple en una posición particular y en tres tiempos diferentes.
Nueva funcionalidad en Reaction Engineering: Exportación de reacciones de superficie
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Ahora puede exportar la cinética de reacciones de superficie, definida en la interfaz de Reaction Engineering, a un modelo dependiente del espacio donde las reacciones de superficie ocurran dentro de los gránulos porosos. La funcionalidad de Generate Space-Dependent Model exporta la cinética de reacción y define automáticamente las propiedades de materiales en una funcionalidad Reactive Pellet Bed. |
 Reacciones de superficie exportadas a una funcionalidad Reactive Pellet Bed utilizando la funcionalidad Generate Space-Dependent Model en la interfaz Reaction Engineering. |
Nueva interfaz Multifísica de flujo reactivo
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Para mejorar el estudio del flujo de fluido y reacciones en gases y líquidos, la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo combina la interfaz de Flujo monofásico y Transporte de especies concentradas. Previamente disponible como una interfaz independiente, la nueva interfaz multifísica de Flujo reactivo proporciona un control mejor de los ajustes en cada interfaz física así como el acoplamiento multifísico entre ellas. Usando el nuevo acoplamiento de Flujo reactivo, el proceso de resolver cualquiera de las interfaces acopladas por separado, o al mismo tiempo, se ha mejorado significativamente. En flujo reactivo, esto es importante para generar condiciones iniciales adecuadas o para verificar cómo los resultados se están viendo afectados por acoplamiento. La interfaz multifísica de Flujo reactivo soporta tanto flujos reactivos turbulentos como laminares, así como flujo y reacciones en medios porosos. |
 En la nueva interfaz multifísica Reacting Flow el nodo Reacting Flow, bajo el nodo Multiphysics, acopla una interfaz Single-Phase Flow con una de Transport of Concentrated Species. |
Nueva funcionalidad en Transporte de especies concentradas: Propiedades de transporte en medios porosos
La nueva funcionalidad de Transporte de medios porosos permite el estudio de transporte de multicomponentes en una solución que fluye a través de un medio poroso. La nueva funcionalidad incluye modelos para calcular propiedades del transporte efectivo que son dependiente de la porosidad del material en combinación con tranporte en mezclas concentradas.
La distribución de porosidad en un reactor para la descomposición térmica del metano en una catalizador sólido Ni-Al203 es estudiada utilizando la funcionalidad de Propiedades de transporte en medios porosos. La porosidad decrece ca medida que se forma hollín en la reacción de descomposición.
Paso a paso pseudotemporal en la interfaz de Transporte de especies concentradas
La nueva funcionalidad de paso a paso pseudotemporal para la interfaz de Transporte de especies concentradas mejora significativamente las velocidades de convergencia de los resolvedores para estudios estacionarios. Es específicamente beneficiosa cuando el flujo de especies es dominada por advección (números de Péclet grandes), por ejemplo en flujos reactivos turbulentos.
5.2
Nueva app: Diálisis de membrana
La diálisis es una método de separación de especies químicas ampliamente utilizado. Uno de estos ejemplos es la hemodiálisis, que actúa como riñones artificiales para la gente con fallos renales. En la diálisis, solo se permiten componentes específicos que se difundan a través de la membrana, basándose en sus diferencias moleculares y solubilidad.
La app Membrane Dialysis simula un proceso para disminuir la concentración de contaminantes en un fluido. El dispositivo consta de un módulo de fibra hueca, donde las paredes de las fibras huecas actúan como membrana para eliminar el contaminante.
Los resultados de esta app pueden ayudar en la selección de materiales de la membrana, las dimensiones de las fibras y las condiciones de funcionamiento.
Interfaz gráfica de usuario de la app Membrane Dialysis mostrando la concentración de contaminante en la fibra.
Nueva app: Cromatografía líquida
La cromatografía líquida de alto rendimiento (High-performance liquid chromatography o HPLC) es un método común de separar, identificar y cuantificar cada componente químico en una mezcla. HPLC se puede encontrar en las industrias farmacéuticas, biotecnológicas y de alimentación.
La app Liquid Chromatography simula la separación de dos especies en una columna de cromatografía líquida genérica.
Las simulaciones pueden ayudar a determinar con precisión los elementos de diseño de columnas de cromatografía y detalles de separación de componentes. Esto incluye la longitud y porosidad de la columna y las condiciones específicas de los dos componentes, incluyendo su isoterma de Langmuir. Todo esto puede cambiarse dentro de la app.
La interfaz gráfica de usuario para la app Liquid Chromatography muestra la concentración de los dos componentes a los 120 segundos.
Velocidad de reacción de especies editable en los nodos de especies
Con COMSOL Multiphysics versión 5.2, se puede cambiar fácilmente la velocidad de reacción individual de una especie directamente en el nodo de especies de la interfaz Reaction Engineering. La expresión introducida anula la definición de velocidad configurada por la funcionalidad Reaction, que por defecto sigue la ley de acción de la masa. En versiones anteriores del programa se editaban las velocidades de reacción de las especies en la vista de ecuación, que podría requerir fuentes adicionales para su compensación.
Nuevas formas de partículas catalíticas en camas de gránulos reactivos
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En la funcionalidad de Reactive Pellet Bed se pueden especificar las formas de los gránulos catalíticos no esféricos. Además de esferas, las nuevas opciones incluyen cilindros, copos y formas de gránulos definidas por el usuario. |
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Importación mejorada de datos experimentales para estimación de parámetros
La funcionalidad Experiment de la interfaz Reaction Engineering ahora puede convertir la unidad de los datos importados para estimación de parámetros. Utiliza la opción Weight para controlar la importancia de cada tipo de dato durante la optimización.
Funcionalidad de reacción de equilibrio mejorada
Para reacciones de equilibrio en la interfaz Reaction Engineering, ha sido introducida una casilla de verificación Suppress negative concentrations para ayudar a la solución de sistemas en equilibrio. La selección de la casilla asegura que no se acepten valores de concentración negativos como soluciones a la condición de equilibrio.
Unidades de contentración molar y milimolar
Se han añadido las unidades molar (M (moles/l)) y milimolar (mM (mmoles/l)) para especificar concentración, además de la unidad del sistema internacional SI de moles/m3.
Nuevo tutorial: Fermentación en fabricación de cerveza
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Durante el proceso de fermentación de la cerveza se forman a la vez alcohol y varios sabores cuando los azúcares se transforman mediante la levadura. En este tutorial, el proceso de fermentación se modela inicialmente en un depósito perfectamente mezclado con la interfaz Reaction Engineering. En el siguiente paso, se simula un tanque detallado, dependiente del tiempo, teniendo en cuenta la transferencia de masa, transferencia de calor y convección natural. Se puede estudiar el impacto de la cantidad inicial de azúcar, temperatura y el tipo de levadura en el proceso de fermentación. |
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5.1
NOVEDADES
Nueva app: diseño de biosensor
Una célula de flujo en un biosensor contiene un array de micropilares, y las superficies cóncavas de los pilares son recubiertas con un material activo que adsorbe selectivamente biomoléculas en la corriente de la muestra. Esta aplicación permite que el usuario cambie el diseño del sensor alterando parámetros de entrada como el diámetro del pilar, el espaciado de la rejilla y la velocidad de entrada para ver cómo afectan a los resultados de detección.
La app del diseño de biosensor muestra un corte de concentración después de una simulación.
Nueva funcionalidad CHEMKIN® de superficie en las interfaces de química e ingeniería de reacción
| La nueva funcionalidad permite importar archivos Surface CHEMKIN® con datos de especies de superficie y reacciones de superficie, además de las funcionalidades ya disponibles previamente de importación CHEMKIN® para reacciones homogéneas. Esto aplica a todos los tipos de archivos CHEMKIN: cinética de reacción, propiedades de transporte y termodinámica. El estándar Surface CHEMKIN® es de particular utilidad para el modelado de reacciones en superficies catalíticas y reacciones heterogéneas cuando sse dispone de datos de reacción en el formato Surface CHEMKIN®. |  Se investiga el modelo de un reactor CVD que incluye adsorción, desorción y reacciones de superficie, donde se utiliza la nueva funcionalidad de importación de formatos Surface CHEMKIN®. El mecanismo de reacción se acopla entonces a mecanismos de transporte en una geometría de reactor detallada. |
Nueva correlacion de viscosidad de mezcla de gas
Un método para la predicción de la viscosidad de la mezcla está ahora disponible para mezclas de gases en las interfaces de ingeniería de reacciones y química. Previamente sólo estaban disponibles las predicciones de viscosidad de gases puros.
Capacidad de resistencia de la película añadida a la funcionalidad Reactive Pellet Bed
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La funcionalidad Reactive Pellet Bed ahora tiene dos alternativas para acoplar la concentración de macroescala a la concentración de microescala en la superficie de un fluido de volumen de gránulos:
La nueva opción de resistencia de película relaciona la transferencia de masa a/desde el pellet a un coeficiente de película, hD, un modelo común cuando se estudian bioreactores y camas catalíticas. Aquí la resistencia a la transferencia de masa se considera en una película delgada cerca de la superficie de los gránulos además de dentro de los gránulos porosos. Los coeficientes de transferencia de masa se calculan automáticamente a partir del número de Sherwood, el cual se define a partir de alguna de las siguientes tres expresiones:
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 La opción de resistencia de la película puede calcular automáticamente el coeficiente de la película a partir del número de Sherwood. Opcionalmente, se pueden entrar coeficientes de transferencia definidos por el usuario. |
Uso mejorado de las reacciones químicas en medios porosos
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El término de fuente de Reacciones en las interfaces de transporte de especies diluidas en medios porosos ahora proporciona las siguientes opciones para tener en cuenta la base de volumen de reacción para medios porosos saturados e insaturados:
El uso de datos de la literatura para las expresiones cinéticas es bastante más simple y menos susceptible a errores, ya que se pueden tabular para diferentes bases de volumen. |
 Ahora se puede seleccionar la relación de reacción apropiada como base para la expresión de la tasa de reacción. En este caso, se ha seleccionado la reacción por volumen total de poros. |
Hinchazón higroscópica
La hinchazón higroscópica es un efecto de deformación interna del material causada por cambios en el contenido de humedad. El nuevo acoplamiento multifísico Hygroscopic Swelling se utiliza para acoplar la concentración de humedad entre las interfaces de transporte de especies diluidas o transporte de especies diluidas en medios porosos y la interfaz de mecánica de sólidos.
Modelo de gas polvoriento
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La difusión de Knudsen se incluye como un mecanismo de transporte adicional en la interfaz de transporte de especies concentradas para permitir los modelos de gas polvoriento. Este mecanismo está disponible en los modelos de la ley de Fick y de difusión de mezcla promediada. El modelo de gas polvoriento se prefiere a veces para predecir con precisión el transporte de masa acompañado por las reacciones químicas en medios porosos, por ejemplo en membranas catalíticas y aplicaciones de células de combustible. En gases, este mecanismo es importante para la tasa de transporte si el camino libre medio de las moléculas transportadas es del mismo orden de magnitud o mayor que la escala de longitud del sistema. Por ejemplo, en un poro grande con un diámetro pequeño (2 a 50 nm), las moléculas frecuentemente chocan con la pared del poro y la difusión necesita ajustarse adecuadamente. |
 La difusión de Knudsen ahora está disponible como un mecanismo de transporte. |
Variables de concentración basada en la masa
La interfaz de transporte de especies concentradas ahora proporciona variables de concentración basada en la masa (kg/m3) además de fracciones de masa. Estas se pueden utilizar en postprocesado, informes y visualización, añadiendo la flexibilidad para presentar datos en diferentes unidades dependiendo de las preferencias de la persona que interprete los resultados.
Dominios de elemento infinito en interfaces de la ley de Darcy
Las interfaces de la ley de Darcy ahora soportan dominios de elemento infinito y cálculos más avanzados de los flujos en contornos.
Tutorial actualizado: reactor de lecho empacado 3D multiescala
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En el tutorial, A Multiscale 3D Packed Bed Reactor, se han añadido las siguientes mejoras para su uso industrial:
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 Uno de los reactores más común en la industria química es el reactor de lecho empacado, utilizado para procesos catalíticos heterogéneos. Este modelo se configura para calcular la distribución de concentración en el gas reactor que fluye alrededor de los gránulos, pero también utiliza una dimensión extra que modela la distribución de concentración dentro de cada gránulos catalítico poroso. |
Tutorial actualizado: Deposición química de vapor (CVD) de GaAs
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La aplicación de GaAs CVD se ha revisado por completo y ahora muestra una manera mucho más fácil de organizar el complejo sistema de reacciones de volumen y superficie que están involucradas en un proceso CVD. Utiliza la nueva funcionalidad Reversible Reaction Group para importación CHEMKIN® con un archivo Surface CHEMKIN®. En la fabricación de semiconductores, los reactores CVD son utilizados para depositar películas delgadas sobre un sustrato a través de moléculas y fragmentos moleculares adsorbiendo y reaccionando en una superficie. |
La deposición química de vapor (CVD) permite crecer una película fina sobre un sustrato a través de moléculas y fragmentos moleculares adsorbiendo y reaccionando en una superficie. El sistema CVD se modela utilizando balances de momento, energía y masa incluyendo una descripción detallada de la fase de gas y la cinética de la adsorción. Las líneas de corriente muestran la dirección del vector velocidad, mientras que el gráfico de color muestra el perfil de concentración de uno de los reactantes. |
Nuevo tutorial: Adsorción de proteína en una columna de intercambio de iones
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El intercambio de iones es un potente método para separar proteínas de soluciones y hoy en día es muy utilizado en las industrias farmacéutica y biotecnológica. Este nuevo tutorial simula una columna de intercambio de iones para adsorción de dos proteinas. La fase de fluido contiene cuatro componentes: dos proteínas, el solvente y una sal. La cinética de adsorción/desorción se describe por dos reacciones de equilibrio donde las proteínas desplazan a los iones adsorbidos en la superficie y viceversa. Este tutorial ilustra cómo las reacciones en equilibrio químico pueden ser estudiadas en un sistema de reactor ideal de mezclado perfecto en la interfaz de ingeniería de reacciones. Además, se muestra cómo la cinética de la configuración del reactor ideal es exportada a un modelo 3D, donde los efectos espaciales sobre la superficie reactiva en la columna son estudiados en detalle. |
 En la imagen se muestra la concentración de superficie de una de las proteínas adsorbida después de 2 segundos de funcionamiento, en la estructura porosa de una resina de intercambio de iones en una columna de intercambio de iones. El gráfico de color muestra la concentración (rojo oscuro es 7 moles/m3 y azul oscuro es 0). |
Nuevo tutorial: reactor tubular multicomponente
| Este tutorial demuestra cómo las interfaces de química y transporte de especies diluidas puede utilizarse para modelar e investiar cinéticas de reacción complejas y transferencia de masa multicomponente. Estudia una reacción exotérmica irreversible en un reactor tubular (fase líquida, régimen de flujo laminar). Para mantener su temperatura baja, el reactor utiliza un cubierta de enfriamiento con una temperatura de refrigeración constante. |  Distribución de un reactante y producto en una reactor tubular multicomponente refrigerado por una cubierta |
5.0
Interfaz con cama de pellet reactiva
Para facilitar el modelado de reactores de cama empacada, se dispone de una nueva funcionalidad para modelar ecuaciones de transporte y ecuaciones de reacción dentro de pellets, que utiliza la nueva tecnología de núcleo para dimensiones extra. La dimensión extra es configurada para ser 1D. La concentración media en un pellet está disponible para el postprocesado.
Nuevo Modelo: Un reactor de cama empacada 3D multiescala. Uno de los reactores más común en la industria química, el reactor de cama empacada, es utilizado tanto en síntesis como en tratamiento de efluentes y combustión catalítica. Este modelo analiza la distribución de concentración en el gas reactor que fluye alrededor de los pellets (macroescala), pero también utiliza una dimensión extra que modela la distribución de concentración dentro de cada pellet catalítico poroso (microescala).
Interfaz química
Una nueva interfaz química, similar a la de la Librería de Materiales, contiene una librería de propiedades termodinámicas y cinéticas para un sistema de reacción química dado.
Interfaz de ingeniería de reacción renovada
- La interfaz de Ingeniería de Reacciones se ha renovado para mejorar la experiencia del usuario y ahora incluye cinco nuevas funcionalidades bajo el nodo de la interfaz de Ingeniería de Reacciones: Valores iniciales, Grupo de reacción reversible, Grupo de reacción de equilibrio, Grupo de especies y Fuente adicional.
- Adicionalmente, existen varias nuevas subfunciones: termodinámica de reacción para la funcionalidad de grupo de Reacción (reversible y equilibrio), y dos subfunciones para la funcionalidad de Grupo de especies (Actividad de especies y termodinámica de especies). También hay tres nuevas propiedades físicas: Balance de energía, Vector de especies de equilibrio y Estado estándar de actividad global.
- Los reactores CSTR ahora permiten múltiples entradas y salidas (cambiando de Masa constante a Masa genérica en la propiedad de Balance de Masa) y llenado/drenaje. La entrada de especies desde todas las corrientes de alimentación es aditiva (antes, la interfaz de Ingeniería de Reacciones únicamente aceptaba una corriente de alimentación para una especie).
- La funcionalidad de Reacción puede ser tanto volumétrica como basada en la superficie (en versiones previas eran funciones separadas).
- Las reacciones de superficie mejorada se resuelven si una especie es configurada como especie de superficie. En este caso, la expresión de la relación de reacciones es utilizada en lugar de un balance de masa , y la producción de especies se exporta correctamente a las condiciones de flujo de entrada en modelos dependientes del espacio.
- Se incluye flujo de calor en el balance de energía cuando existe una reacción de superficie.
- Se ha reemplazado la concentración (mol/m3) por actividad en la acción de la ley de masa para la determinación de la relación de reacción.
- El modelo dependiente del espacio creado por la funcionalidad de Modelo dependiente del espacio generado no está enlazado de vuelta a la interfaz de Ingeniería de Reacciones.
Transporte de especies diluidos en interfaz de medios porosos
La interfaz de Transporte de especies diluidos en medios porosos es un nuevo punto de entrada en el Asistente de Modelo bajo Transporte de Especies Químicas, con una funcionalidad de dominio de Propiedades de transporte de medios porosos por defecto. Esta reemplaza y unifica a las antiguas interfaces de Transporte de Soluto y Transporte de especies en medios porosos. La interfaz de transporte de especies diluidas en medios porosos también incluye métodos de estabilización numérica para las funcionalidades de medios porosos. Esto proporciona campos de concentración suaves incluso en los casos donde algunas regiones del dominio son insuficientemente resolubles numéricamente. También incluye la funcionalidad de Fuente de Especies, que tiene en cuenta fuentes (o sumideros) de especies químicas en dominios porosos.
Funcionalidad de medios porosos parcialmente saturados
La funcionalidad de Medios porosos parcialmente saturados en la interfaz de transporte de especies diluidos permite el modelado de convección, difusión, adsorción, dispersión y volatilización en dominios porosos parcialmente saturados. Además, una nueva funcionalidad de Propiedades de transporte en medios porosos en la interfaz de Transporte de Especies Diluidas proporciona acceso a la misma funcionalidad. También incluye la funcionalidad de Fuentes de Especies, que tiene en cuenta las fuentes (o sumideros) de especies químicas en dominios porosos.
Concentraciones basadas en masa
La funcionalidad de Concentraciones basadas en masa en la interfaz de Transporte de especies diluidas permite especificar la densidad de solvente y la masa molar por especie.
Reacción de equilibrio
Un nuevo nodo de dominio de Reacción de Equilibrio está disponible en la interfaz de Transporte de especies diluidas, la interfaz de Flujo reactivo en especies diluidas en medios porosos, y la de Nernst-Planck.
Condición de flujo de entrada Danckwerts
Una nueva opción de flujo de entrada Danckwerts está disponible en la funcionalidad de flujo de entrada de las interfaces de Transporte de especies diluidas y Nernst-Planck.
COMSOL Multiphysics 6.3