Navigation

Modeling of reaction kinetics

Process optimization in chemical industries vaatii tarkkaa tietoa tarkastellusta reaktiojärjestelmästä, joka voi koostua yhdestä tai useammasta reaktiovaiheesta. Tällaisen tiedon avulla voidaan kehittää uusia tai parantaa olemassa olevia prosesseja, jotka koskevat taloutta, turvallisuutta, tehokkuutta jne. Siksi kemiallisen reaktorin suunnittelu ja optimointi prosessin keskeisenä osana on erityisen kiinnostavaa. Yleensä reaktorin suunnittelu perustuu tasapainoyhtälöihin, jotka sisältävät termodynaamisia ja kineettisiä malleja. Kineettinen malli muodostaa matemaattisen kuvauksen reaktion kulusta kullekin reaktiovaiheelle systeemin komponenttien funktiona.

ensinnäkin kineettisen mallin kehittäminen vaatii mittauksia ihanteellisessa laboratoriomittakaavassa reaktorissa. Jotta kokeiden kokonaismäärä pysyisi kohtuullisena ja jotta kokeet voitaisiin suorittaa hyvin tarkasteltavan järjestelmän herkkyyteen soveltuvina, mittaukset järjestetään tilastollisilla menetelmillä ”kokeiden suunnittelussa” (DoE). Kun kerätyt tiedot otetaan perustaksi, kineettiseen mallinnukseen valitaan sopivia kineettisiä lähestymistapoja, jotka perustuvat mekanistisiin oletuksiin (eritasoisia yksityiskohtia) ja joiden datapisteiden kulku on laadullisesti samanlainen. Tilan muuttujien lisäksi (esim., pitoisuus tai lämpötila) kineettisissä lähestymistavoissa on sopivia parametreja, joita voidaan vaihdella matemaattisen lähestymistavan tuloksen mukauttamiseksi mitattuihin arvoihin (esim.aktivaatioenergia, pre-eksponentiaalinen tekijä). Sopivimman ja luotettavimman kineettisen lähestymistavan määrittämiseksi kullekin reaktiovaiheelle sopivimmat tulokset arvioidaan tilastollisen analyysin avulla (luottamusvälit, korrelaatiokertoimet, jäännökset jne.). Näin ollen kineettisen mallinnuksen lopputuloksena on täysin parametrisoitu malli, joka kuvaa reaktioverkon jokaista reaktiovaihetta. Institute of Chemical Reaction Engineering tarjoaa mahdollisuuden suorittaa kineettisiä mittauksia ja kineettistä mallinnusta. Tätä varten on saatavilla useita jatkuvatoimisia ja eräkohtaisia laboratoriomittakaavareaktoreita, jotka mahdollistavat eri parametrien vaihtelun ja joiden asennus on muokattavissa erilaisiin vaatimuksiin. Kineettiseen mallinnukseen käytetään monipuolisia huipputeknisiä ohjelmistotyökaluja (esim.Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, Comsol Multiphyics).

Kuva. 1: kineettinen mallinnus osana kemiallisen reaktorin suunnittelua.

esimerkki:

reaktantti A reagoi kahden välituotteen B ja C kautta lopputuotteeseen D. mahdolliset reaktioverkot voivat näyttää seuraavilta:

Kuva. 2: Lineaarinen reaktioverkko (vasemmalla), haarautunut reaktioverkko (oikealla)

luvusta 2 haarautuvassa esimerkissä kineettisen mallin käsittävä differentiaaliyhtälöiden joukko voidaan kirjoittaa seuraavalla tavalla:

Kuva. 3: kineettinen malli

kuten edellä on kuvattu, kullekin reaktiovaiheelle on määritettävä sopiva kineettinen lähestymistapa. Valtaoikeuden lähestymistavat ovat hyvin tunnettuja ja yksinkertaisia. Ne kuvaavat reaktion kulkua lämpötilasta riippuvaisella nopeusvakiolla k (T) ja vastaavasti komponenttien konsentraatiolla tai osapaineella. On olemassa lukuisia kineettisiä lähestymistapoja, joista yleisimpiä on kuvattu kuvassa 4.

Kuva. 4: esimerkkejä kineettisestä ilmaisusta

tyypillisesti nopeusvakio k (T) lasketaan Arrheniuksen lausekkeella:

tässä EA ja k0 edustavat reaktion aktivaatioenergiaa ja taajuuskerrointa.

Rahoitus ja yhteistyö

huippuyksikkö ”Engineering of Advanced Materials” (eam)

Teollisuuskumppanit

uusimmat julkaisut