COMSOL简介及其在反应器设计中的应用

1.  COMSOL简介

COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，模拟科学和工程领域的各种物理过程。

COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程(单场)或偏微分方程组(多场)来实现真实物理现象的仿真，用数学方法求解真实世界的物理现象，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场。

化工中的反应器设计模拟软件常用的有Aspen Plus，Flunt等，但Aspen对于反应器的模拟不足在于数据库过于单一，模拟对于参数的依赖过高，比如某种反应器的设计必须知道反应速率常数、反应活化能等很多重要参数，然后输入数据求解，这对于反应器的设计而言就显得过于简化。而Flunt是一款流体模拟软件，在化学反应模块方面比较欠缺。相比于这些软件，Comsol则有着很大的优势。它可以分析化学物质组分、反应动力学、流体流动和温度等随空间和时间的变化，从而更好的设计反应器。除此而外，Comsol的操作简单，支持中文版本，上手较快，尤其是在大学生化工设计竞赛中，有着很大的作用。

2.  COMSOL在反应器设计中的应用

下面就介绍一下Comsol的基本操作和反应器设计的简单例子。

2.1  操作界面说明

Comsol的操作界面比较简明，基本的求解过程是参数定义——建模——求解。而且是中文界面，只要按照求解过程的步骤一步步往下走即可。操作界面如图所示

2.2  反应器设计简单例子

以草酸二甲酯加氢反应生成主产物乙二醇，副产物碳酸甲酯、甲醇的反应器设计过程为例。

首先需要对该反应进行反应时间求解，先定义一些参数，如反应浓度单位、温度单位等，然后加载反应工程模块，自定义反应速率方程，输入一些物性参数，直接进行求解便可得到反应物，产物等随时间的变化关系。

加载反应工程模块求解c-t曲线（浓度随时间按变化关系）：

求解结果图示：

结果可以以图示的形式输出，也能生成书面报告，报告详细内容。这个例子是反应器设计最基础的计算，下面对不同列管长度、直径等对反应收率影响做模拟计算。

首先需要对列管进行建模，通过文献调研获得一个大概的加氢反应器形状，建立对比模型，即方案一：管径20mm，管长5.5m；方案二：管径25mm，管长6.0m；方案三：管径20mm，管长6.5m。然后加载草酸二甲酯加氢的化学反应，进行稳态求解，结果如图所示

通过管进出口浓度变化，计算不同管长、管径下的收率，得到最佳的反应器大小。

Comsol的功能非常强大，反应器的可视化设计也可使用该软件。如反应器中多孔催化剂床内的流体流动的可视化设计，两种物质从不同的入口进入反应器，然后置于注射针下游的多孔催化床中发生反应，通过Comsol可以计算反应物及产物的流动流线及浓度等值面分布：

Comsol可以很好地指导有热交换的反应器，比如模拟甲烷转换合成气温变过程，就可以通过Comsol得到反应器圆柱外壁上加热夹套之间的传热分布：

总之，有限元计算软件Comsol在化工中的应用越来越多，笔者这里只是简单的介绍，更多内容希望大家一起交流学习！  

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   来源：科普化工（ID：ChemEng_comm）

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本文编辑：邵青楠