(仅供参考)COMSOL-Multiphysics化学反应工程中文白皮书

化学反应工程仿真化学反应工程仿真化学反应工程的仿真广泛应用于反应工艺和系统的研发过程。

第一步，仿真用来剖析和理解化工工艺过程或者系统。

通过建立模型并分析仿真结果，工程师和科学家们能够获得进一步创新所需的理解和灵感。

人们一旦很好地理解了这个工艺过程，就会使用建模与仿真来优化并控制过程中的变量和参数。

运行各种“虚拟”实验，适应不同工艺条件。

仿真的另一种可能的应用是仿真那些难以用实验方法来实现的情景。

例如为提高安全性，仿真一次事故中化学品释放的失控。

人们可以根据仿真结果制定防范措施来阻止这些假想事故发生造成的影响。

在所有这些情况下，建模和仿真可以节约成本、有良好的经济效益，因为它可以减少大量实验或建立原始模型的需求，同时在工艺过程或设计中能够潜在地提供一些可替代的和更好的见解。

本文介绍了化学反应过程和系统的建模仿真策略，该策略展示在下面的流程图中。

此流程图总结了反应系统或者设计化学反应器的仿真策略该策略包括，首先考查一个反应系统是与空间无关还是具有空间依赖性，这一点要有非常明确的定义。

在空间依赖性无关紧要的体系中，化学组分通常混合充分，各组分的浓度分布均一，仅是时间的函数，这种情况通常被视为完美混合反应器。

活塞流式反应器就是这样一个典型的完美反应体系。

一旦空间依赖性的影响被消除或得到很好的解释，无论是实验研究还是仿真仿真都可以只关注于反应本身了，这是受反应速率定律控制的。

下一步就是将这一信息应用于我们感兴趣的化学反应器或系统中。

当然，这些具有不同长度、宽度和广度的体系也会受一系列外部参数的影响，包括流入、流出、冷却、加热以及可能的物质损失。

这些均为空间（和时间）相关的系统。

化学反应动力学研究——完美混合或柱塞流反应器的仿真化学反应工程中一个非常重要的部分就是各种反应速率的定义，它是从有关化学反应机理的假设或者假说中得到的。

理想情况下，一种反应机理和与之相应的化学反应速率变化规律是通过严格控制的实验得到的，在实验中空间和时间变化的影响是众所周知的。

有时，这些实验实施起来很困难，通过文献调研或其它类似反应的反应速率变化规律来得到初步假设。

对于复制和仿真严格控制的实验研究条件，完美混合反应器或理想的柱塞流反应器是最有效的反应器类型。

这些虚拟的实验用来研究不同动力学参数和其它条件对反应体系行为的影响。

然后使用参数估计，通过对比实验结果和仿真结果，可以得到所提出反应机理中的反应速率常数。

通过将这些结果同来自进一步实验研究得到的结果进行对比，允许我们核查或进一步校正所提出的反应机理和动力学参数。

在一个定义良好的反应器环境中对反应系统进行建模，也会得到不同的特定操作条件对过程的影响，例如温度变化或压力变化。

对某个反应系统或过程的了解越多，就越容易实现更高级的仿真仿真。

完美混合反应器中反应速率随温度的变化曲线。

不同曲线代表反应混合物的不同组成。

反应器和系统研究——空间依赖性仿真一个反应过程或体系的机理和动力学参数一旦被决定和合理地调整，他们就可以应用于真实环境中更高级的研究。

这些实际的研究往往需要充分说明变量随时间和空间的变化情况，除反应动力学外，这些变量涉及组分输运、热量传递和流体流动。

根据可以做（有时必须要做）的假设，这些描述可以在1D、2D或3D中实现，如果时间依赖性很重要也需要考虑进来1D柱塞流式反应器中选择性参数随反应腔体体积的变化再次，无论是反应器或体系本身，或它们的模型，应尽可能地做到将仿真和实验结果进行对比。

涉及到组分输运、热量传递和流体流动的模型往往会涉及到一些通用材料参数，由于这些参数取自文献或类似体系，因此可能需要对其进行校准以提高模型的准确性。

当模型的准确性得到确保后，它就可以用来对真实环境中不同操作条件下的化学反应器或过程进行仿真。

从这些模型中得到的认知以及模型提供的切实结果为更加精确的开发和优化一个化学反应器提供了条件，或者说对整个系统的控制更加有信心。

催化转换器内整装反应器中温度等值面的分布。

表面图给出的是其中一种反应组分的浓度分布案例：整装反应器中氮氧化物的选择性还原反应下面是一个汽车排气管内催化转换器的案例，通过添加氨气将汽车尾气中的氮氧化物除去。

该例子展示了上述建模策略的应用，并通过一系列仿真表明了如何理解该反应器过程以及如何增强该体系性能。

化学反应工程模块中的一些功能可以实现上述过程。

化学反应工程模块化学反应工程模块是用于仿真主要受化学组成、反应动力学、流体流动和温度影响的化学体系的专业化工具。

这些属性依赖于空间、时间和一些可以描述它们的变量。

模块中包括一些仿真接口，主要涉及化学反应动力学，稀溶液、浓溶液以及受电势影响的溶液中物质的传递过程，层流和多孔介质流，能量传递。

为了计算一个体系的热力学性质和传递性质，模块中还提供了各种预置好的表达式接口。

案例介绍本例说明了汽车排气系统中整装反应器内氮氧化物（NO）的选择性还原过程的仿真。

从发动机引擎中排出的废气流经一个填充有多孔催化剂的整装反应器，通过在气流中添加氨气（NH3），其中的NO就能够有选择性地被还原从而被除去。

然而，NH3也会被一个平行反应氧化，这两个反应的反应速率受到温度和组成的影响。

这意味着所通入的氨气量必须超过预期的NO量，但不能过量太多，否则剩余的NH3将会排放到大气中去。

本仿真的目的是找到最佳的NH3使用剂量，并研究其他一些操作参数的影响。

催化转化器降低内燃机排放废气中NO x的含量本案例说明了前面给出的流程图中描述的建模策略。

首先，通过仿真将初始反应速率作为温度和相对反应物量的函数，研究了选择性动力学。

从这些研究中获得的信息将提供能够达到所需选择性的一般性条件。

然后将反应器简化为非等温活塞流反应器。

这揭示了NH3剂量基于催化转化器的工作条件和废气流中假设的NO的流量。

然后建立并求解催化转换器的3D模型，模型中包括质量传递、热量传递和流体流动，并且提供了用于优化剂量和其它操作参数的信息。

化学在整装反应器中V2O5/TiO2催化剂涂层上发生了两个平行反应，其中NO被NH3还原的反应是人们所期望发生的反应：然而，与此同时，NH3也会同O2发生反应：NO与N2间的异相催化转化过程是使用Eley-Rideal机理描述的，其中关键的反应步骤是NO和NH3在催化剂表面的气相吸附反应。

参考文献1中提出了如下的反应速率表达式(mol/m3・s)：式中对于反应方程式(1)，反应速率(mol/m3・s)由以下表达式给出：式中化学反应动力学研究两个互相竞争的化学反应的存在引出了如何确定NH3最佳剂量的问题，建议NH3和NO 的化学计量比下限为1:1。

从原料成本和环境友好这两方面考虑，应当避免通入过多的NH3。

对动力学进行分析不仅有助于确定人们所期望的还原反应的发生条件，而且能够降低NH3用量。

假设反应条件为完美混合的反应器，研究了还原反应和氧化反应的反应速率与温度、各反应物的相对含量之间的关系。

已知进入催化转化器的废气中NO的浓度为41.1mmol/m3，操作条件为汽车的平均速度。

下图展示了NO还原反应的反应速率随废气流的温度和所通入NH3量的变化情况。

从图中可以看出，在温度为700K左右时反应速率达到峰值；同时反应速率依赖于NH3的用量，NH3：NO的比率越高反应速率越快。

气相中NH3的浓度越高导致NH3表面吸收量增加，这样有利于NO向N2的转化。

然而，温度过高NO的还原速率会降低，这是由于NH3会从催化剂表面以一个更快的速率解吸，并且随后被O2氧化。

NO还原反应（1r）的初始反应速率随温度和NH3用量的变化曲线。

NH3:NO的范围1-2。

根据图中数据并不能得出释放到大气中NH3的量，或者NH3氧化反应对整个体系的影响，比如提高了体系温度和降低了NO的还原速率。

下图给出了两个反应的反应速率随温度的变化曲线，表明了反应器内的温度为700K时并不是最佳的操作条件，实际上，NH3的氧化反应大约发生在温度为660K时。

两个竞争反应的反应速率随温度的变化曲线：NO还原（蓝线）、NH3氧化（绿线）选择性也是应当在本阶段考虑的一个特性，它的定义式如下：S大于1表示NO的还原反应占优势。

根据下图，要使S大于1需要适中的温度和相对较低的NH3:NO值。

结合考虑上图所给信息，我们可以得出如下结论：更适宜的操作温度大约在500K到550K之间。

选择性参数(r 1/r 2)随温度的变化曲线，NH 3:NO 取值为1-2。

由于动力学参数是从文献中获得的，所以应当将这些仿真结果与相同条件下的实验结果作比较，因此要将这些参数作适当的微调。

柱塞流反应器研究以上研究结果所提供的有关NH 3最佳剂量的信息并没有考虑空间依赖性。

但空间依赖性有时是必须要考虑的，特别是反应物浓度和体系温度发生改变时。

催化转换器包括一系列长但不是很宽的通道，这些通道之间不会发生质量传递但会存在热量传递。

假设通道中的速度为常数，这意味着该系统可以采用非等温活塞流反应器来描述。

假设过程为稳态，柱塞流反应器中的质量平衡方程如下：式中i F 为各组分的摩尔流率（mol/s ），V 为反应器体积（m 3），i R 为组分的净反应速率(mol/(m 3·s))。

理想反应气流的能量平衡方程如下：式中C p ,i 为各组分的摩尔热容�J /mol ∙K�，Q ext 为施加在体系单位体积上的热�J(m 3∙s )�,Q 为化学反应热�J (m 3∙s )�：式中H j 为反应热(J /mol ),r j 为反应速率�mol /(m 3∙s )�。

反应器内通道的长为0.36m ，横截面面积为12.6mm 2。

操作温度为523K ，含有NO 尝试浓度41.1mmol/m 3的废气以0.3m/s 的速度流经通道。

下图给出了NH 3的摩尔流率与废气流经的反应器体积之间的关系。

很明显，在前述条件下，为了确保NH 3在到达反应器出口之前没有被消耗完，NH 3:NO 的值需要在大约1.3或以上。

NH3的摩尔流率（mol/s）随反应通道内位置的变化曲线为作更进一步的探讨，下图给出了三种NH3:NO值(1.3、1.4、1.5)时选择性参数随反应器内位置不同的变化情况。

从图中可以看出，当NH3:NO为1.3时，NO的还原反应高度优先，因为此时NH3浓度很低。

选择性参数(r1/r2)随反应器内位置的变化曲线综合考虑经济效益，研究了NH3:NO为1.35的情况。

这样将会产生最少的NH3废气而且NO的还原反应并不会受到限制。

此时，NO和NH3消耗量的转化率分别达到了98.7%和97.2%。

逐渐减小操作温度、NH3:NO值和其它操作参数得变化步长，最终得到最优化的条件，在该条件下两种反应的批量转化率均接近100%。

然而，需要注意的是催化转换器是一个带有很多通道的真实反应器，而且处于转化器内不同位置的通道是不同的，尤其是涉及到同周围环境的热交换方面。