Navigasjon

Modellering av reaksjonskinetikk

prosessoptimalisering i kjemisk industri krever presis kunnskap om det vurderte reaksjonssystemet, som kan bestå av ett eller flere reaksjonstrinn. Slik kunnskap åpner for utvikling av nye eller forbedring av eksisterende prosesser om økonomi, sikkerhet, effektivitet etc. Derfor er design og optimalisering av den kjemiske reaktoren som kjerneelement i prosessen av spesiell interesse. Generelt reaktor design er basert på balanse ligninger, som inneholder termodynamiske og kinetiske modeller. En kinetisk modell utgjør den matematiske beskrivelsen av reaksjonsforløpet for hvert reaksjonstrinn som en funksjon av komponenter i systemet.

for det første krever utviklingen av en kinetisk modell målinger i en ideell laboratorieskala reaktor. For å holde det totale antall eksperimenter rimelig og for å utføre forsøkene godt tilpasset sensitiviteten til det vurderte systemet, er målingene organisert via statistiske metoder i En» Design Of Experiments » (DoE). Ved å ta de innsamlede dataene som grunnlag, velges egnede kinetiske tilnærminger som stole på mekanistiske antagelser (av forskjellig detaljnivå) med et kvalitativt lignende kurs av datapunkter for kinetisk modellering. I tillegg til tilstandsvariabler (f. eks. kinetiske tilnærminger inneholder tilpasningsparametere, som kan varieres for å tilpasse resultatet av den matematiske tilnærmingen til de målte verdiene (f.eks. aktiveringsenergi, pre-eksponentiell faktor). For å identifisere den mest egnede og pålitelige kinetiske tilnærmingen for hvert reaksjonstrinn, evalueres tilpasningsresultatene ved hjelp av statistisk analyse(konfidensintervaller, korrelasjonskoeffisienter, rester, etc.). Følgelig er det endelige resultatet av den kinetiske modelleringen en fullstendig parametrisk modell for å beskrive hvert reaksjonstrinn i reaksjonsnettverket. Institutt For Kjemisk Reaksjonsteknikk gir mulighet til å utføre kinetiske målinger og kinetisk modellering. For dette er flere kontinuerlige og batchlaboratoriumskala reaktorer tilgjengelige, noe som gjør at forskjellige parametere kan varieres og hvis oppsett kan tilpasses til ulike krav. For kinetisk modellering ulike state-of-the-art programvareverktøy (F.Eks Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, Comsol Multiphyics) er i bruk.

Fig. 1: Kinetisk modellering som en del av kjemisk reaktor design.

Eksempel:

Reaktant a reagerer via to mellomprodukter B Og C til sluttproduktet D. Mulige reaksjonsnettverk kan se ut som følger:

Fig. 2: Lineært reaksjonsnettverk (venstre), forgrenet reaksjonsnettverk (høyre)

for det forgrenede eksemplet Fra Figur 2 kan settet av differensialligninger, som omfatter den kinetiske modellen, skrives på følgende måte:

Fig. 3: Kinetisk modell

som beskrevet tidligere må en egnet kinetisk tilnærming identifiseres for hvert reaksjonstrinn. Makt lov tilnærminger er godt kjent og enkel. De karakteriserer reaksjonsforløpet ved en temperaturavhengig hastighetskonstant k(T) og komponentkonsentrasjonen eller partialtrykket, henholdsvis. Det er mange kinetiske tilnærminger tilgjengelig, hvorav de vanligste er avbildet i Figur 4.

Fig. 4: eksempler på kinetisk uttrykk

vanligvis beregnes hastighetskonstanten k (T) ved Hjelp Av Arrhenius-uttrykket:

HER representerer EA og k0 aktiveringsenergien og frekvensfaktoren til reaksjonen.

Finansiering Og Samarbeid

Cluster Of Excellence «Engineering Of Advanced Materials» (EAM)

Industripartnere

Siste Publikasjoner