Komplex reakciók mechanizmusának identifikálását támogató eszköz fejlesztése


PROGRAM LETÖLTÉSE

A vegyipari rendszerek tervezése során az egyik legfontosabb feladat a konvertáló alrendszer tervezése, amely esetén a legfontosabb szempontok az optimális, de emellett biztonságos üzemmenet biztosítása. Ennek érdekében, már a tervezéskor fel kell tárni azon folyamatokat és ezek sebességét, amelyek az üzemeltetés során befolyásolják az alrendszer működését.
A konvertáló alrendszer legkritikusabb eleme a reaktor, amelyben a korábban labor körülmények között elvégzett kísérletek során gyűjtött ismereteink alapján igyekszünk kézben tartani a lejátszódó folyamatokat. Az itt lejátszódó folyamatok jellegét tekintve lehetnek fizikai, kémiai, illetve fizikai-kémiai folyamatok is. Ebben a munkában a reaktorokban lejátszódó kémiai folyamatok, azaz a reakciók megismerésének támogatására dolgoztunk ki egy módszert és ez alapján egy könnyen alkalmazható eszközt.

A méretnövelés a vegyipari rendszerek tervezése során az egyik legkritikusabb lépés

Számtalan könyv és folyóirat cikk foglalkozik azzal, hogy lehetséges megoldásokat nyújtsanak a reakciómechanizmusok feltérképezéséhez. Mivel mindig lesznek olyan folyamatok, melyek mechanizmusának megismerése egy tervezési feladat első lépése, ezért ezen a tudományterületen elvégzett munka mindig aktuális lesz. Annak érdekében, hogy megismerjük a feladat összetettségét, először az alapfogalmakat kell tisztáznunk [1-4].
Valamely kémiai reakció mechanizmusán azon elemi folyamatok összességét értjük, amelyek során a kiindulási anyagok a végtermékké alakulnak. A reakciómechanizmus vizsgálatának tehát az a célja, hogy leírja azokat a közbenső állapotokat, amelyek során a rendszer a kezdeti állapotából a végállapotba jut. Természetesen még ma sem vagyunk képesek arra, hogy teljes részletességgel leírjuk a reakciókban résztvevő összes molekula mozgását, ezért csak egy olyan képet tudunk megfogalmazni, amely nagyszámú molekula viselkedésének összességéből adódik. Emellett a reagáló rendszer csak néhány kitüntetett állapotát jellemezhetjük. Ilyen kitüntetett állapotok a reakció során az átmeneti állapotok és a köztitermékek.

C6H5-fenil gyök és a C3H4 izomerek reakciómechanizmusa

Köztitermékeknek azokat a kémiai képződményeket (molekulákat, atomokat, gyököket, ionokat, stb.) értjük, amelyek a reakció folyamán elvileg kimutatható, bár bizonyos körülmények között ezek csak igen kis mennyiségben képződnek, és amelyek az adott reakciókörülmények között végtermékké alakulnak át. A reakciók túlnyomó része egy vagy több köztiterméken keresztül játszódnak le, ezért ezeket többlépcsős reakciónak is nevezik, amelyek elemi reakciók sorozatából állnak. Az egy elemi reakcióban részt vevő molekulák számát a reakció molekularitásának nevezzük, amely a reakció rendűségét adja meg. A reakció sztöchiometriája írja le, hogy adott komponensek milyen szerepet töltenek be egy reakcióban, ami alapján megkülönböztetünk reagenseket, illetve termékeket. Ezentúl pedig megadja azt is, hogy milyen mennyiségben vesznek részt az egyes komponensek a reakcióban.

A molekulák megfelelő pontokon történő ütközése során játszódik csak le a reakció

Egy adott reakció átmeneti állapotai és közbenső termékei számos módszerrel vizsgálhatók, e módszerek feloszthatók kinetikaira és nem kinetikaira [7]. A reakciómechanizmus vizsgálatának és elemezésének feltétele az összes reakciótermék, és köztitermék pontos azonosítása és kvantitatív meghatározása. Ennek hiányában a reakció sztöchiometriáját egyértelműen és teljes bizonyossággal nem tudjuk meghatározni.
A reakciótermékek jellege és eloszlása is lehetőséget nyújt a reakció mechanizmusának feltérképezésére, persze ehhez elengedhetetlen némi általános kémiai ismeret. A kidolgozandó eszköz a szükséges tapasztalatok hiányában nyújthat segítséget a reakciómechanizmusok megismerésében és az egyes elemi reakciók sebességi egyenleteinek definiálásában.

A mért(+) és a számított hidrogén koncentráció változás különböző reakciósebességi állandó értékek esetén

Az utóbbi feladat a paraméteridentifikálás, míg az előző a struktúraidentifikálás tématerületéhez tartozik. A paraméteridentifikálás lényege egy feltételes szélsőérték feladat megoldása, amely esetünkben a feltételezett reakciókinetika összefüggésekkel számolt és a mért adatok összehasonlításával kapott modellhiba minimalizálását jelenti, a kinetikai paraméterterek módosításával. A struktúraidentifikálás feladata a változók közötti összefüggések feltárása és formalizálása, ami esetünkben a mérési adatok alapján, az egyes komponensek közötti kapcsolatok feltárását, azaz a reakciómechanizmus meghatározását jelenti.

  1. Klaus Schwetlick, Reakciómechanizmusok kinetikai vizsgálata, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978
  2. Turányi Tamás, Reakciómechanizmusok vizsgálata, Akadémiai Kiadó, Budapest, 2010
  3. Samuel Delvin, Organic Reaction Mechanism, Sarup & Sons, New Delhi, 2002
  4. Robert B. Grossman, The Art of Writing Reasonable Organic Reaction Mechanisms, Springer, New York, 2nd ed., 2003
  5. R.I. Kaiser, É. Vereecken, J. Peeters, H.F. Bettinger, P.v.R. Schleyer, H.F. Schaefer III, Elementary reactions of the phenyl radical, C6H5 , with C3H4 isomers, and of benzene, C6H6, with atomic carbon in extraterrestrial environments, Astronomy and Astrophysics, 406, 385-391, 2003
  6. http://www.sparknotes.com/chemistry/kinetics/mechanisms/section1.html
  7. S.L. Friess, E.S. Lewis, A. Weissberger, Investigation of Rates and Mechanism of Reactions, John Wiley & Sons, New York, 1963
  8. http://ganymed.iwr.uni-heidelberg.de/Paper/carraro-heuveline-rannacher-200511.pdf


PROGRAM LETÖLTÉSE




Kezdőlap
Témakörök
Alkalmazások
Publikációk
Alprojektek
Kapcsolat