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STRUMENTI E SERVIZI

Un unico ambiente di modellazione e simulazione di sistemi reagenti e processi
A single environment for modeling and simulating reaction systems and processes

COMSOL


COMSOL srl ha annunciato il recente rilascio del Chemical Reaction Engineering Module, costruito sulla piattaforma Comsol, creato per per fornire un unico ambiente di lavoro agli ingegneri e ai ricercatori che desiderano studiare realisticamente i bilanci materiali e le reazioni chimiche di un’ampia gamma di cinetiche chimiche e operazioni unitarie che avvengono sotto differenti condizioni operative. Gli utenti potranno simulare sistemi reagenti, che vanno dai micro-reattori tipici delle biotecnologie alle classiche operazioni unitarie della chimica di processo, comprendendone il comportamento fin dalle prime fasi di progettazione e con il vantaggio di poter creare cicli di sviluppo convenienti ed efficienti sia per i prodotti sia per i processi coinvolti.

Il Chemical Reaction Engineering Module può essere utilizzato per sviluppare diversi tipi di prodotti e processi per i mercati più svariati”, commenta Henrik von Schenk, Chemical Engineering Product Manager di Comsol. “Questo modulo si rivela particolarmente utile, ad esempio, nella progettazione di sensori di strumenti analitici o nello sviluppo di catalizzatori e filtri per i sistemi di scarico in ambito automotive. Il Chemical Reaction Engineering Module mostrerà tutto il suo valore se impiegato nello sviluppo di prodotti e processi per industrie come quella farmaceutica, dei prodotti di consumo e della chimica fine, di base e delle specialità”.

Il Chemical Reaction Engineering Module combina le funzionalità di due moduli precedenti, il Chemical Engineering Module e il Reaction Engineering Module, e la potenza dell’architettura recentemente reingegnerizzata di Comsol Versione 4. Il risultato è un prodotto con nuove funzionalità e maggiore usabilità. Con questo nuovo modulo gli utenti potranno investigare il procedere delle reazioni chimiche, studi che tipicamente si realizzano in laboratorio e in condizioni controllate, mediante la loro simulazione in reattori ideali (i.e. perfettamente miscelati). Le reazioni chimiche sono a disposizione dell’utente attraverso un’unica interfaccia grafica e il suo uso è così semplice che la variazione di concentrazione o di temperatura delle specie interessate, al fine di simulare le reali condizioni operative sotto le quali si troverà il proprio sistema, si realizza in pochissimi click.

La fusione delle nostre precedenti funzionalità di ingegneria chimica in un’unica soluzione dedicata, che offre all’interno di un unico ambiente e in modo semplice tutto quello di cui si ha bisogno, rappresenterà certamente un grande vantaggio per i nostri utenti”, continua von Schenk. “Il nuovo flusso di lavoro e la semplicità con la quale si potranno gestire in un’unica soluzione le diverse specie, le reazioni, i materiali e i diversi fenomeni di trasporto incrementeranno senza dubbio la produttività”.

Interfacce Fatte su Misura per le Reazioni Chimiche, il Trasporto di Massa ed Energia e i Flussi in Mezzi Porosi

Al fine di permettere agli utenti una simulazione sempre più realistica dei sistemi reagenti di loro interesse, il Chemical Reaction Engineering Module è stato dotato di un’interfaccia dedicata alla definizione delle reazioni chimiche coinvolte, del trasporto di massa e di energia e della fluidodinamica in presenza o meno di mezzi porosi. Questa interfaccia è completamente integrata nel processo di modellazione di Comsol Multiphysics (il prodotto che supporta il funzionamento di questo nuovo modulo): l’inserimento delle reazioni chimiche avviene mediante la loro semplice scrittura (e.g. A+B=>C) nell’apposita finestra, in seguito il software calcola automaticamente le cinetiche di reazione e i bilanci di massa e di energia. Il passo successivo è quello di scegliere il tipo di reattore chimico perfettamente miscelato (batch, semi-batch, CSTR o plug-flow) nel quale simulare le cinetiche e i bilanci impostati in precedenza.

Gli utenti possono rendere questi modelli su scala ridotta e dal costo computazionale esiguo, poiché relativi a reattori perfettamente miscelati e quindi ideali, più realistici prendendo in considerazione reattori di dimensioni reali dove la dipendenza dallo spazio e dal tempo delle grandezze fisiche di interesse (i.e. concentrazioni, temperatura e velocità) non può essere trascurata.
Il Chemical Reaction Engineering Module è eccezionale nel guidare il progettista verso la soluzione più intelligente perché permette una comparazione veloce tra le simulazioni fatte considerando i reattori ideali e quelle che considerano la dipendenza della simulazione dallo spazio e dal tempo”, spiega von Schenk. “Si può partire da una valutazione dei risultati ottenuti da un modello semplificato che tiene in considerazione condizioni operative ideali e che permette una comprensione veloce della chimica, delle scale temporali delle reazioni e delle temperature raggiunte, per poi passare utilizzando le stesse impostazioni a un modello 3D al fine di investigare il reattore e il processo in condizioni operative reali”.

Il Chemical Reaction Engineering Module mette a disposizione dell’utente una sezione dell’interfaccia dedicata al trasporto di massa per diffusione, convezione e migrazione sia in soluzioni diluite sia concentrate. Secondo il principio fondamentale di funzionamento di Comsol e che riguarda tutte le fisiche che modella e simula, al trasporto di massa può essere aggiunta la simulazione della parte fluidodinamica (in presenza o meno di mezzi porosi) e di trasporto di calore. Indipendentemente dalle fisiche coinvolte, l’impostazione del modello è veloce e contraddistinta intuitivamente sempre dalle stesse operazioni. Gli utenti possono rimuovere e aggiungere con pochissimi click reazioni chimiche e relative specie, meccanismi di reazione, condizioni iniziali e al contorno e proprietà materiali. Gli utenti possono anche provare differenti chimiche e diverse condizioni operative, i risultati di ciascuna combinazione saranno salvati in studi separati che possono essere analizzati e comparati tra di loro in fase di post-processing.

Importazione di Proprietà Termodinamiche in COMSOL

Il Chemical Reaction Engineering Module aderisce agli standard CAPE-OPEN di modellazione, simulazione e progettazione delle operazioni unitarie che costituiscono i processi chimici. Questo modulo è inoltre in grado di leggere file in formato CHEMKIN®, i quali definiscono completamente, in termini di proprietà termodinamiche e fisiche, sistemi reagenti relativi a fenomeni che avvengono in fase gassosa come la combustione, la chimica dell’atmosfera e molti altri.
Mediante il CAPE-OPEN Wizard integrato nel Chemical Reaction Engineering Module, gli utenti possono combinare i componenti di software di terze parti nelle loro simulazioni fatte con Comsol. Inoltre il browser CAPE-OPEN, anch’esso integrato nel modulo, permette di navigare e selezionare dati termodinamici e fisici da basi di dati di terze parti in maniera davvero semplice e veloce. La flessibilità e la semplicità d’uso unite all’apertura verso altri software permetterà agli utenti di descrivere in modo sempre più realistico grandezze come viscosità, densità, calore specifico e altre proprietà termodinamiche di gas e liquidi.

Il Chemical Reaction Engineering Module in Sintesi
• Generazione automatica, in base alle formule delle reazioni chimiche inserite dall’utente, di cinetiche di reazione e relativi bilanci di massa ed energia.
• Combinazione, all’interno dello stesso modello, di reattori perfettamente miscelati con la loro versione 2D o 3D che prende in considerazione la dipendenza delle grandezze fisiche di interesse da tempo e spazio.
• Interfacce dedicate al trasporto di massa per diffusione, convezione e migrazione sia in miscele diluite sia concentrate in presenza o meno di mezzi porosi.
• Possibilità di investigare differenti chimiche e condizioni operative agendo su reazioni, specie chimiche e meccanismi di trasporto all’interno dello stesso modello mediante salvataggio dei risultati di simulazione in studi separati che possono essere analizzati e confrontati tra loro in fase di post-processing.
• Disponibilità di reattori chimici predefiniti di tipo batch, semi-batch, CSTR e plug-flow operanti in regime continuo e con variazioni di volume.
• Estrema usabilità grazie alla possibilità di inserire funzioni ed espressioni definite dall’utente per l’inserimento di cinetiche chimiche e proprietà fisiche che dipendono dalla composizione e dalla temperatura.
• Interfaccia CAPE-OPEN per il calcolo veloce di proprietà termodinamiche e fisiche attraverso la connessione a software di simulazione in ambito chimico di terze parti.
• Importazione di file CHEMKIN per sistemi reagenti relativi a fenomeni che avvengono in fase gassosa come la combustione e la chimica dell’atmosfera.

Cos’è COMSOL Multiphysics

Comsol Multiphysics è l’ambiente software scientifico di modellazione e simulazione di sistemi fisici. Il suo punto di forza è la capacità di modellare e simulare fenomeni multifisici. I moduli opzionali ne permettono il potenziamento mediante strumenti specifici per le diverse discipline come acustica, batterie e celle a combustibile, ingegneria chimica, scienze della terra, elettromagnetismo, fluidodinamica, trasporto di calore, MEMS, plasmi e meccanica strutturale.

Per maggiori informazioni:

www.it.comsol.com

COMSOL srl

www.comsol.it

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