Navigation

modellering af reaktionskinetik

procesoptimering i kemiske industrier kræver præcis viden om det overvejede reaktionssystem, som kan bestå af et eller flere reaktionstrin. En sådan viden giver mulighed for udvikling af nye eller forbedring af eksisterende processer vedrørende økonomi, sikkerhed, effektivitet osv. Derfor er design og optimering af den kemiske reaktor som kerneelement i processen af særlig interesse. Generelt reaktor design er baseret på balance ligninger, som indeholder termodynamiske og kinetiske modeller. En kinetisk model udgør den matematiske beskrivelse af reaktionsforløbet for hvert reaktionstrin som en funktion af komponenter i systemet.

først og fremmest kræver udviklingen af en kinetisk model målinger i en ideel laboratorieskala reaktor. For at holde det samlede antal eksperimenter rimeligt og for at udføre eksperimenterne godt tilpasset det betragtede systems følsomhed organiseres målinger via statistiske metoder i et “design af eksperimenter” (DoE). Ved at tage de indsamlede data som grundlag vælges derefter egnede kinetiske tilgange, der er afhængige af mekanistiske antagelser (med forskellige detaljeringsniveauer) med et kvalitativt lignende forløb af datapunkter til kinetisk modellering. Udover tilstandsvariabler (f. eks. kinetiske tilgange indeholder tilpasningsparametre, som kan varieres for at tilpasse resultatet af den matematiske tilgang til de målte værdier (f.eks. aktiveringsenergi, præeksponentiel faktor). For at identificere den mest egnede og pålidelige kinetiske tilgang for hvert reaktionstrin evalueres tilpasningsresultaterne ved hjælp af statistisk analyse (konfidensintervaller, korrelationskoefficienter, rester osv.). Følgelig er det endelige resultat af den kinetiske modellering en fuldt parametriseret model til at beskrive hvert reaktionstrin i reaktionsnetværket. Institut for kemisk Reaktionsteknik giver mulighed for at udføre kinetiske målinger og kinetisk modellering. Til dette er der flere kontinuerlige reaktorer og batchlaboratorieskala til rådighed, som gør det muligt at variere forskellige parametre, og hvis opsætning kan tilpasses til forskellige krav. Til kinetisk modellering anvendes forskellige avancerede værktøjer (f.eks. Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, Comsol Multiphyics).

Fig. 1: kinetisk modellering som en del af kemisk reaktor design.

eksempel:

reaktant a reagerer via to mellemprodukter B og C på slutproduktet D. mulige reaktionsnetværk kan se ud som følger:

Fig. 2: lineært reaktionsnetværk (venstre), forgrenet reaktionsnetværk (højre)

for det forgrenede eksempel fra Figur 2 kan sættet af differentialligninger, som omfatter den kinetiske model, skrives på følgende måde:

Fig. 3: kinetisk model

som tidligere beskrevet skal der identificeres en passende kinetisk tilgang for hvert reaktionstrin. Magtretlige tilgange er velkendte og enkle. De karakteriserer reaktionsforløbet med henholdsvis en temperaturafhængig hastighedskonstant K(T) og komponenternes koncentration eller partialtryk. Der findes adskillige kinetiske tilgange, hvoraf de mest almindelige er afbildet i figur 4.

Fig. 4: eksempler på kinetisk ekspression

typisk beregnes hastighedskonstanten k (T) ved hjælp af Arrhenius-udtrykket:

her repræsenterer EA og k0 aktiveringsenergien og frekvensfaktoren for reaktionen.

Fundings and Cooperations

klynge af ekspertise” teknik af avancerede materialer ” (EAM)

industripartnere

seneste publikationer