建模化学反应：动力学

在化学反应工程中，模拟可用于研究和优化特定的反应过程或系统。对化学反应进行建模有助于工程师几乎了解系统的化学性能，最佳尺寸和设计，以及它如何与可能发挥作用的其他物理学相互作用。这是有关化学反应工程的一系列博客文章中的第一篇，在这里我们将介绍对应用进行建模的初始阶段：化学反应动力学。

为什么要建模化学反应？

在开发化学系统时，对化学反应过程有深入的了解当然很重要。以汽车排气系统中的单片反应堆为例。您知道您需要通过化学物质（在这种情况下为氨； NH₃），因此发射的气体毒性较小。您可能还知道，您需要足够的氨使其减少NO，但并非氨浪费或本身以令人不愉快甚至危险的水平释放到大气中。此外，氨可以通过氧化耗尽 - 在与NO还原的平行反应中。

没有氨的减少：

4NO + 4NH₃+ o₂→4n₂+ 6H₂o

氨的平行氧化：

4NH₃+ 3o₂→2n₂+ 6H₂o

这两个竞争反应发生的速度受温度和成分影响。您还不知道的是，包括在系统中包括的理想氨（以及该系统的大小和形状，更多的内容都可以在以后的博客文章中出现）。

为了弄清楚您需要多少氨，以获取适量的数量，但没有太多（留下戈尔多洛克微笑的氨），您将需要研究反应速率和与之相关的反应动力学。反应率定律基于关于化学反应机制的假设或（知情的）假设，这些假设又受到受控情况下进行的严格实验支持。在这种情况下，“严格”和“受控”是“耗时”和“困难”的代码。现在您告诉我：您宁愿手工或计算机上这样做吗？

分析整体反应器中没有反应动力学

假设我们正在处理催化反应器的无减少问题，并得出结论，我们需要1：1的NH比率₃基于化学计量法作为下限。从上面我们知道，平行反应也消耗了氨，因此该比率势必会更高。我们想进一步分析反应动力学，并通过选择性进行，这是NO还原反应的反应速率与NH的比率₃氧化反应。使用comsol多物理和化学反应工程模块，我们可以进行一系列研究，以确定反应器中化学物质的最佳比率。

NO还原反应的初始反应速率是温度的函数。NH3：没有比率为1到2。	选择性参数作为温度的函数。降低NO氧化NH的反应速率3同时降低温度并增加NH3：没有比例。

正如您在上面的两个图中看到的那样，理想的工作条件将支持适度的温度，而中等温度更大，而我们两种化学物质的比率相对较低。那么，我们需要减少排气中的NO需要多少氨？

为了弄清楚这一点，我们需要一个简单的反应堆模型，该模型可以解释系统的反应物浓度和温度。左侧的数字表明该比率必须高于1.2，但可能小于1.4。非等热塞流动反应堆模型将在这里为我们的目的服务。如果我们的示例中的废气包含41.1 mmol/m³在523 K的温度下，并以0.3 m/s的速度通过整体反应器，该模型表明NH₃：没有约1.3的比率 - 一个值保持较高的值。少于1.3的任何东西可能会导致我们系统中的氨短缺。在1.3时，离开系统的氨也不应该引起注意。

NH的摩尔流速3作为通道音量的函数。	选择性参数是通道音量的函数。NH3：没有比率范围为1.3至1.5。

结论和下一步

正如您在这里看到的那样，理想的氨剂量将受到温度的极大影响。任何以前设计反应堆的人都知道温度分布因通道而异。因此，我们的下一步将是创建整体反应器的完整3D模型。敬请关注！

本系列的其他帖子

1. 建模化学反应：整体反应器的3D模型
2. 建模化学反应：热应力分析