Proposal of an open-source computational toolbox for solving PDEs in the context of chemical reaction engineering using FEniCS and complementary components

Abstract

In this contribution, an open-source computational toolbox composed of FEniCS and complementary packages is introduced to the chemical and process engineering field by addressing two case studies. First, the oxidation of o-xylene to phthalic anhydride is modelled and used as a FEniCS′ proof-of-concept based on a comparison with the software Aspen Custom Modeler (ACM). The results show a maximum absolute error of 2% and thus a good FEniCS/ACM agreement. Second, synthetic natural gas (SNG) production through CO2 methanation is covered in further detail. In this instance, a parametric study is performed for a tube bundle fixed-bed reactor employing a two-dimensional and transient pseudo-homogeneous model. An operating window for critical variables is evaluated, discussed, and successfully contrasted with the literature. Therefore, the computational toolbox methodology and the consistency of the results are validated, strengthening FEniCS and complements as an interesting alternative to solve mathematical models concerning chemical reaction engineering.

En esta contribución, se introduce en el campo de la ingeniería química y de procesos una caja de herramientas computacional de código abierto compuesta por FEniCS y paquetes complementarios al abordar dos casos de estudio. En primer lugar, se modela la oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico y se utiliza como prueba de concepto de FEniCS basada en una comparación con el software Aspen Custom Modeler (ACM). Los resultados muestran un error absoluto máximo del 2 % y, por tanto, una buena concordancia FEniCS/ACM. En segundo lugar, se cubre con más detalle la producción de gas natural sintético (SNG) a través de la metanización de CO2. En este caso, se realiza un estudio paramétrico para un reactor de lecho fijo de haz de tubos empleando un modelo pseudo-homogéneo bidimensional y transitorio. Se evalúa, discute y contrasta exitosamente con la literatura una ventana de operación para variables críticas. Por lo tanto, se valida la metodología de la caja de herramientas computacional y la consistencia de los resultados, fortaleciendo FEniCS y complementos como una alternativa interesante para resolver modelos matemáticos relacionados con la ingeniería de reacciones químicas.