Nawigacja

Modelowanie kinetyki reakcji

optymalizacja procesów w przemyśle chemicznym wymaga dokładnej znajomości rozważanego układu reakcji, który może składać się z jednego lub kilku etapów reakcji. Taka wiedza pozwala na rozwój nowych lub wzmocnienie istniejących procesów w zakresie ekonomii, bezpieczeństwa, efektywności itp. Dlatego szczególnie interesujące jest zaprojektowanie i optymalizacja reaktora chemicznego jako podstawowego elementu procesu. Zasadniczo konstrukcja reaktora opiera się na równaniach równowagi, które zawierają modele termodynamiczne i kinetyczne. Model kinetyczny stanowi matematyczny opis przebiegu reakcji dla każdego etapu reakcji jako funkcji elementów układu.

po pierwsze, opracowanie modelu kinetycznego wymaga pomiarów w idealnym reaktorze w skali laboratoryjnej. Aby utrzymać całkowitą liczbę eksperymentów rozsądnych i przeprowadzić eksperymenty dobrze dostosowane do wrażliwości rozpatrywanego systemu, pomiary są organizowane za pomocą metod statystycznych w „projekt eksperymentów” (DoE). Na podstawie zebranych danych wybiera się odpowiednie podejścia kinetyczne, które opierają się na założeniach mechanistycznych (o różnym poziomie szczegółowości) z jakościowo podobnym przebiegiem punktów danych do modelowania kinetycznego. Oprócz zmiennych stanu (np., stężenie lub temperatura) podejścia kinetyczne zawierają dopasowane parametry, które mogą być zmieniane w celu dostosowania wyniku podejścia matematycznego do zmierzonych wartości (np. energia aktywacji, czynnik Pre-wykładniczy). W celu określenia najbardziej odpowiedniego i wiarygodnego podejścia kinetycznego dla każdego etapu reakcji, dopasowane wyniki są oceniane za pomocą analizy statystycznej (przedziały ufności, współczynniki korelacji, pozostałości itp.). W związku z tym końcowym wynikiem modelowania kinetycznego jest w pełni sparametryzowany model opisujący każdy etap reakcji sieci reakcyjnej. Instytut Inżynierii reakcji chemicznych zapewnia możliwość wykonywania pomiarów kinetycznych i modelowania kinetycznego. W tym celu dostępnych jest kilka ciągłych i wsadowych reaktorów w skali laboratoryjnej, które umożliwiają zmianę różnych parametrów i których konfigurację można dostosować do różnych wymagań. Do modelowania kinetycznego wykorzystywane są nowoczesne narzędzia programowe (np. Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, COMSOL Multiphyics).

Fig. 1: modelowanie kinetyczne jako część projektu reaktora chemicznego.

przykład:

reagent a reaguje poprzez dwa produkty pośrednie B I C z produktem końcowym D. możliwe sieci reakcji mogą wyglądać następująco:

Fig. 2: sieć reakcji liniowej (po lewej), sieć reakcji rozgałęzionych (po prawej)

dla przykładu z fig. 2 zbiór równań różniczkowych, który obejmuje model kinetyczny, można zapisać w następujący sposób:

Fig. 3: Model kinetyczny

jak opisano wcześniej, należy określić odpowiednie podejście kinetyczne dla każdego etapu reakcji. Podejście do prawa energetycznego jest dobrze znane i proste. Charakteryzują one przebieg reakcji przez zależną od temperatury stałą szybkości K (T) i odpowiednio stężenie składników lub ciśnienie cząstkowe. Dostępnych jest wiele podejść kinetycznych, z których najczęstsze przedstawiono na rysunku 4.

Fig. 4: przykłady wyrażenia kinetycznego

zazwyczaj stałą szybkości k (T) oblicza się za pomocą wyrażenia Arrheniusa:

tutaj EA i k0 reprezentują energię aktywacji i współczynnik częstotliwości reakcji.

fundacje i współpraca

Klaster doskonałości „Inżynieria zaawansowanych materiałów” (EAM)

partnerzy branżowi

najnowsze publikacje