navigare

modelarea cineticii reacțiilor

optimizarea proceselor în industriile chimice necesită cunoașterea precisă a sistemului de reacție considerat, care poate consta în una sau mai multe etape de reacție. Astfel de cunoștințe permit dezvoltarea de noi sau îmbunătățirea proceselor existente în ceea ce privește economia, siguranța, eficiența etc. Prin urmare, proiectarea și optimizarea reactorului chimic ca element de bază al procesului prezintă un interes deosebit. În general, proiectarea reactorului se bazează pe ecuații de echilibru, care conțin modele termodinamice și cinetice. Un model cinetic constituie descrierea matematică a cursului reacției pentru fiecare etapă de reacție în funcție de componentele din sistem.

în primul rând, dezvoltarea unui model cinetic necesită măsurători într-un reactor ideal la scară de laborator. Pentru a menține numărul total de experimente rezonabil și pentru a efectua experimentele bine adaptate la sensibilitatea sistemului considerat, măsurătorile sunt organizate prin metode statistice într-un „Design de experimente” (DoE). Luând datele colectate ca bază, abordările cinetice adecvate care se bazează pe ipoteze mecaniciste (de nivel diferit de detaliu) cu un curs calitativ similar de puncte de date sunt apoi selectate pentru modelarea cinetică. Pe lângă variabilele de stare (de ex., concentrație sau temperatură) abordările cinetice conțin parametri de montare, care pot fi variați pentru a adapta rezultatul abordării matematice la valorile măsurate (de exemplu, energia de activare, factorul pre-exponențial). Pentru a identifica abordarea cinetică cea mai potrivită și mai fiabilă pentru fiecare etapă de reacție, rezultatele de montare sunt evaluate prin intermediul analizei statistice (intervale de încredere, coeficienți de corelație, reziduuri etc.). În consecință, rezultatul final al modelării cinetice este un model complet parametrizat pentru a descrie fiecare etapă de reacție a rețelei de reacție. Institutul de Inginerie a reacțiilor chimice oferă posibilitatea de a efectua măsurători cinetice și modelare cinetică. Pentru aceasta, sunt disponibile mai multe Reactoare de laborator continue și batch, care permit variația diferiților parametri și a căror configurare este personalizabilă la diferite cerințe. Pentru modelarea cinetică sunt utilizate diverse instrumente software de ultimă generație (de exemplu, Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, Comsol Multiphyics).

Fig. 1: modelarea cinetică ca parte a proiectării reactorului chimic.

exemplu:

reactantul a reacționează prin intermediul a două produse intermediare B și C la produsul final D. posibilele rețele de reacție ar putea arăta după cum urmează:

Fig. 2: rețea de reacție liniară( stânga), rețea de reacție ramificată (dreapta)

pentru exemplul ramificat din Figura 2, setul de ecuații diferențiale, care cuprinde modelul cinetic, poate fi scris în felul următor:

Fig. 3: Modelul cinetic

după cum s-a descris anterior, trebuie identificată o abordare cinetică adecvată pentru fiecare etapă de reacție. Abordările Legii Puterii sunt bine cunoscute și simple. Ele caracterizează cursul reacției printr-o constantă a vitezei dependente de temperatură k(T) și concentrația componentelor sau respectiv presiunea parțială. Există numeroase abordări cinetice disponibile, dintre care cele mai frecvente sunt prezentate în Figura 4.

Fig. 4: Exemple pentru expresia cinetică

de obicei, Constanta ratei k (T) este calculată folosind expresia Arrhenius:

aici, EA și k0 reprezintă energia de activare și factorul de frecvență al reacției.

finanțări și cooperări

Cluster de Excelență „Ingineria materialelor avansate” (EAM)

parteneri din industrie

cele mai recente publicații