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Modelagem de cinética de reação

otimização de processos em indústrias químicas requer conhecimento preciso do sistema de reação considerado, que pode consistir em uma ou mais etapas de reação. Esse conhecimento permite o desenvolvimento de Processos Novos ou aprimorados existentes em relação à economia, segurança, eficiência, etc. Portanto, o projeto e a otimização do reator químico como elemento central do processo são de particular interesse. Geralmente, o projeto do reator é baseado em equações de equilíbrio, que contêm modelos termodinâmicos e cinéticos. Um modelo cinético constitui a descrição matemática do curso da reação para cada etapa da reação em função dos componentes do sistema.

em primeiro lugar, o desenvolvimento de um modelo cinético requer medições em um reator de escala de laboratório ideal. Para manter o número total de experimentos razoáveis e realizar os experimentos bem adaptados à sensibilidade do sistema considerado, as medições são organizadas por meio de métodos estatísticos em um “projeto de experimentos” (DoE). Tomando os dados coletados como base, abordagens cinéticas adequadas que dependem de suposições mecanicistas (de diferentes níveis de detalhe) com um curso qualitativamente semelhante de pontos de dados são selecionadas para modelagem cinética. Além das variáveis de estado (por exemplo(concentração ou temperatura) as abordagens cinéticas contêm parâmetros de ajuste, que podem ser variados para adaptar o resultado da abordagem matemática aos valores medidos (por exemplo, energia de ativação, fator pré-exponencial). Para identificar a abordagem cinética mais adequada e confiável para cada etapa de reação, os resultados de ajuste são avaliados por meio de análise estatística (intervalos de confiança, coeficientes de correlação, resíduos, etc.). Consequentemente, o resultado final da modelagem cinética é um modelo totalmente parametrizado para descrever cada etapa de reação da rede de reação. O Instituto de Engenharia de reação química oferece a possibilidade de realizar medições cinéticas e modelagem cinética. Para isso, vários reatores de escala de laboratório contínuos e em lote estão disponíveis, o que permite que diferentes parâmetros sejam variados e cuja configuração é personalizável para vários requisitos. Para modelagem cinética, diversas ferramentas de software de última geração (por exemplo, Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, COMSOL Multiphyics) estão em uso.

Fig. 1: modelagem cinética como parte do projeto do reator químico.

exemplo:

o reagente a reage através de dois produtos intermediários B E C ao produto final D. As redes de reação possíveis podem ser as seguintes:

Fig. 2: Rede de reação Linear (esquerda), rede de reação ramificada (direita)

Para o exemplo ramificado da Figura 2, o conjunto de equações diferenciais, que compreende o modelo cinético, pode ser escrito da seguinte maneira:

Fig. 3: Modelo cinético

conforme descrito anteriormente, uma abordagem cinética adequada deve ser identificada para cada etapa de reação. As abordagens da lei do poder são bem conhecidas e simples. Eles caracterizam o curso da reação por uma constante de taxa dependente da temperatura k(T) e a concentração dos componentes ou pressão parcial, respectivamente. Existem inúmeras abordagens cinéticas disponíveis, das quais as mais comuns são representadas na Figura 4.

Fig. 4: exemplos para expressão cinética

Normalmente, a constante de taxa k (T) é calculada usando a expressão Arrhenius:

aqui, EA e k0 representam a energia de ativação e o Fator de frequência da reação.

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