navigace

modelování reakční kinetiky

optimalizace procesů v chemickém průmyslu vyžaduje přesnou znalost uvažovaného reakčního systému, který může sestávat z jednoho nebo více reakčních kroků. Tyto znalosti umožňují vývoj nových nebo zlepšení stávajících procesů týkajících se ekonomiky, bezpečnosti, efektivity atd. Proto je zvláště zajímavý návrh a optimalizace chemického reaktoru jako základního prvku procesu. Obecně je konstrukce reaktoru založena na rovnovážných rovnicích, které obsahují termodynamické a kinetické modely. Kinetický model představuje matematický popis průběhu reakce pro každý reakční krok jako funkci složek v systému.

Za prvé, vývoj kinetického modelu vyžaduje měření v ideálním laboratorním měřítku reaktoru. Aby byl celkový počet experimentů přiměřený a aby byly experimenty dobře přizpůsobeny citlivosti uvažovaného systému, jsou měření organizována pomocí statistických metod v „návrhu experimentů“ (DoE). Na základě získaných dat jsou pro kinetické modelování vybrány vhodné kinetické přístupy, které se opírají o mechanistické předpoklady (různé úrovně detailů) s kvalitativně podobným průběhem datových bodů. Kromě stavových proměnných (např., koncentrace nebo teplota) kinetické přístupy obsahují montážní parametry, které mohou být měněny přizpůsobit výsledek matematického přístupu k naměřeným hodnotám (např. aktivační energie, preexponenciální faktor). Za účelem určení nejvhodnějšího a nejspolehlivějšího kinetického přístupu pro každý reakční krok jsou výsledky montáže vyhodnoceny pomocí statistické analýzy (intervaly spolehlivosti ,korelační koeficienty, zbytky atd.). Konečným výsledkem kinetického modelování je tedy plně parametrizovaný model pro popis každého reakčního kroku reakční sítě. Ústav chemické reakční techniky poskytuje možnost provádět kinetická měření a kinetické modelování. K tomu je k dispozici několik reaktorů s kontinuálním a dávkovým laboratorním měřítkem, které umožňují měnit různé parametry a jejichž nastavení je přizpůsobitelné různým požadavkům. Pro kinetické modelování se používají různé nejmodernější softwarové nástroje (např. Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, COMSOL Multiphyics).

obr. 1: kinetické modelování jako součást návrhu chemického reaktoru.

příklad:

reaktant A reaguje prostřednictvím dvou meziproduktů B A C na konečný produkt D. možné reakční sítě mohou vypadat následovně:

obr. 2: lineární reakční síť (vlevo), rozvětvená reakční síť (vpravo)

pro rozvětvený příklad z obrázku 2 může být množina diferenciálních rovnic, která zahrnuje kinetický model, zapsána následujícím způsobem:

obr. 3: kinetický model

jak bylo popsáno výše, musí být pro každý reakční krok identifikován vhodný kinetický přístup. Přístupy mocenského práva jsou dobře známé a jednoduché. Charakterizují průběh reakce teplotně závislou rychlostní konstantou k (T)a koncentrací složek nebo parciálním tlakem. K dispozici je řada kinetických přístupů, z nichž nejběžnější jsou znázorněny na obrázku 4.

obr. 4: příklady kinetické exprese

rychlostní konstanta k (T) se obvykle vypočítá pomocí Arrheniova výrazu:

zde EA a k0 představují aktivační energii a frekvenční faktor reakce.

Fundings and Cooperations

Cluster of Excellence “ Engineering of Advanced Materials „(EAM)

průmysloví partneři

nejnovější publikace