Navigation

modellering av reaktionskinetik

processoptimering inom kemisk industri kräver exakt kunskap om det betraktade reaktionssystemet, vilket kan bestå av ett eller flera reaktionssteg. Sådan kunskap möjliggör utveckling av nya eller förbättring av befintliga processer avseende ekonomi, säkerhet, effektivitet etc. Därför är design och optimering av den kemiska reaktorn som kärnelement i processen av särskilt intresse. Generellt är reaktordesignen baserad på balansekvationer, som innehåller termodynamiska och kinetiska modeller. En kinetisk modell utgör den matematiska beskrivningen av reaktionens förlopp för varje reaktionssteg som en funktion av komponenter i systemet.

för det första kräver utvecklingen av en kinetisk modell mätningar i en idealisk laboratorieskala reaktor. För att hålla det totala antalet experiment rimligt och för att utföra experimenten väl anpassade till känsligheten hos det betraktade systemet organiseras mätningar via statistiska metoder i en ”design of Experiments” (DoE). Med utgångspunkt i de insamlade uppgifterna väljs sedan lämpliga kinetiska tillvägagångssätt som bygger på mekanistiska antaganden (med olika detaljnivå) med en kvalitativt liknande kurs av datapunkter för kinetisk modellering. Förutom tillståndsvariabler (t. ex., koncentration eller temperatur) kinetiska tillvägagångssätt innehåller passande parametrar, som kan varieras för att anpassa resultatet av det matematiska tillvägagångssättet till de uppmätta värdena (t.ex. aktiveringsenergi, Pre-exponentiell faktor). För att identifiera det mest lämpliga och pålitliga kinetiska tillvägagångssättet för varje reaktionssteg utvärderas passande resultat med hjälp av statistisk analys (konfidensintervall, korrelationskoefficienter, rester etc.). Följaktligen är det slutliga resultatet av den kinetiska modelleringen en fullständigt parametriserad modell för att beskriva varje reaktionssteg i reaktionsnätverket. Institutet för Kemisk reaktionsteknik ger möjlighet att utföra kinetiska mätningar och kinetisk modellering. För detta finns flera kontinuerliga reaktorer och batch-laboratorieskalor tillgängliga, vilket gör att olika parametrar kan varieras och vars inställning kan anpassas till olika krav. För kinetisk modellering används olika toppmoderna mjukvaruverktyg (t.ex. Presto Kinetics, Aspen Custom Modeler, Comsol Multiphyics).

Fig. 1: kinetisk modellering som en del av kemisk reaktordesign.

exempel:

reaktant a reagerar via två mellanprodukter B och C på slutprodukten D. möjliga reaktionsnätverk kan se ut som följer:

Fig. 2: linjärt reaktionsnätverk (vänster), grenat reaktionsnätverk (höger)

för det grenade exemplet från Figur 2 kan uppsättningen differentialekvationer, som innefattar den kinetiska modellen, skrivas på följande sätt:

Fig. 3: kinetisk modell

som beskrivits tidigare måste ett lämpligt kinetiskt tillvägagångssätt identifieras för varje reaktionssteg. Power law tillvägagångssätt är välkända och enkla. De karakteriserar reaktionsförloppet med en temperaturberoende hastighetskonstant k (T) respektive komponenternas koncentration eller partialtryck. Det finns många kinetiska tillvägagångssätt tillgängliga, varav de vanligaste är avbildade i Figur 4.

Fig. 4: exempel på kinetiskt uttryck

typiskt beräknas hastighetskonstanten k(T) med hjälp av Arrhenius-uttrycket:

här representerar EA och k0 aktiveringsenergin och reaktionsfrekvensfaktorn.

finansieringar och samarbeten

Cluster of Excellence ”Engineering of Advanced Materials” (eam)

industripartners

senaste publikationer