navigatie

modellering van reactiekinetiek

procesoptimalisatie in de chemische industrie vereist nauwkeurige kennis van het overwogen reactiesysteem, dat uit een of meer reactiestappen kan bestaan. Deze kennis maakt het mogelijk nieuwe of bestaande processen op het gebied van economie, veiligheid, efficiëntie enz.te ontwikkelen. Daarom is het ontwerp en de optimalisatie van de chemische reactor als kernelement van het proces van bijzonder belang. In het algemeen is het ontwerp van de reactor gebaseerd op balansvergelijkingen, die thermodynamische en kinetische modellen bevatten. Een kinetisch model is de wiskundige beschrijving van het verloop van de reactie voor elke reactiestap als functie van componenten in het systeem.

Ten eerste vereist de ontwikkeling van een kinetisch model metingen in een ideale laboratoriumreactor. Om het totale aantal experimenten redelijk te houden en de experimenten goed aangepast aan de gevoeligheid van het beschouwde systeem uit te voeren, worden metingen georganiseerd via statistische methoden in een “ontwerp van experimenten” (DoE). Uitgaande van de verzamelde gegevens als basis, worden geschikte kinetische benaderingen die gebaseerd zijn op mechanistische veronderstellingen (van verschillend detailniveau) met een kwalitatief vergelijkbaar verloop van datapunten geselecteerd voor kinetische modellering. Naast statusvariabelen (bijv. kinetische benaderingen bevatten passende parameters, die kunnen worden gevarieerd om het resultaat van de wiskundige benadering aan de gemeten waarden aan te passen (bv. activeringsenergie, pre-exponentiële factor). Om de meest geschikte en betrouwbare kinetische benadering voor elke reactiestap te bepalen, worden de passende resultaten geëvalueerd door middel van statistische analyse (betrouwbaarheidsintervallen, correlatiecoëfficiënten, reststoffen, enz.). Dienovereenkomstig is het eindresultaat van de kinetische modellering een volledig geparametriseerd model om elke reactiestap van het reactienetwerk te beschrijven. Het Institute of Chemical Reaction Engineering biedt de mogelijkheid om kinetische metingen en kinetische modellering uit te voeren. Hiervoor zijn verschillende continue en batch laboratorium schaal reactoren beschikbaar, waardoor verschillende parameters kunnen worden gevarieerd en waarvan de opstelling is aanpasbaar aan verschillende eisen. Voor kinetische modellering zijn diverse state-of-the-art software tools (bijvoorbeeld Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, COMSOL Multiphyics) in gebruik.

Fig. 1: kinetische modellering als onderdeel van het ontwerp van chemische reactor.

voorbeeld:

Reactant A reageert via twee tussenproducten B en C op het eindproduct D. mogelijke reactienetwerken kunnen er als volgt uitzien::

Fig. 2: lineair reactie netwerk (links), vertakte reactie netwerk (rechts)

Voor het vertakte voorbeeld uit Figuur 2 kan de verzameling differentiaalvergelijkingen, die het kinetisch model omvat, als volgt worden geschreven:

Fig. 3: kinetisch model

zoals eerder beschreven, moet voor elke reactiestap een geschikte kinetische benadering worden vastgesteld. Power law benaderingen zijn bekend en eenvoudig. Ze karakteriseren het verloop van de reactie door een temperatuur afhankelijke snelheid constante k(T) en de componenten concentratie of partiële druk, respectievelijk. Er zijn tal van kinetische benaderingen beschikbaar, waarvan de meest voorkomende zijn afgebeeld in Figuur 4.

Fig. 4: voorbeelden voor kinetische expressie

typisch wordt de snelheidsconstante k (T) berekend met behulp van de Arrhenius-uitdrukking:

hier vertegenwoordigen EA en k0 de activeringsenergie en de frequentiefactor van de reactie.

Bekostiging en Samenwerking

Cluster of Excellence “Engineering van Geavanceerde Materialen” (EAM)

partners

Meest Recente Publicaties