Höltzl Tibor, Veszprémi Tamás

Kémiai szimulációk az atomoktól a vegyipari reaktorokig


Kémiai reaktorok szimulációja

A 10. fejezetben láttuk, hogy reaktív molekuladinamikai szimulációk segítségével akár nanométeres méret-és nanoszekundumos időskála is viszonylag kényelmesen elérhető. Kémiai reaktorok szimulációjához azonban ennél jóval több kell, hiszen tipikusan méteres méret-, illetve másodperctől órákig terjedő időintervallumot kell elképzelnünk. Ehhez pedig egészen más módszerekre van szükség, mint amit idáig láttunk és áttekintettünk. A 4. fejezet szerint a molekulákat a potenciálisenergia-hiperfelület minimumai reprezentálják, a közöttük lévő átmeneti szerkezeteket a minimumok közötti elsőrendű nyeregpontok. A nyeregpontokat és a minimumokat összekötő gradiensösvény pedig a reakcióút. Elemi reakciók esetén két minimum között csupán egyetlen átmeneti állapotot találunk. A gyakorlatban is megvalósuló reakciók azonban a legritkább esetekben elemiek, és akár a legegyszerűbbnek tűnő kémiai reakció is számtalan elemi lépést tartalmazhat, melyek nemcsak egymás után következhetnek, hanem akár elágazások is felléphetnek. Az összes lépés együttesen alkotja a reakció mechanizmusát. Az egyszerű átmenetiállapot-elmélet segítségével (lásd. 4.5.2. pont) a reakciósebességet kiszámíthatjuk, míg a vezéregyenlet megoldásával (lásd 4.5.3. pont) az elemi reakciók sebességének akár a nyomásfüggését is szimulálni tudjuk, illetve bonyolult reakciómechanizmusokat vizsgálhatunk. A vezéregyenletnél a kérdés az egyes molekulák rezgési-forgási szintjeinek betöltési valószínűsége volt, így ezek időbeli változását vizsgáltuk. Láttuk, hogy bizonyos körülmények között (amennyiben a rezgési relaxáció gyorsabb, mint a kémiai reakció), definiálhatunk fenomenologikus sebességi koefficienseket, melyek tulajdonképpen az egyes molekulák egymásba alakulásának sebességét adják meg. A fenomenologikus sebességi koefficiensek segítségével felírhatjuk a potenciálisenergia-hiperfelület egyes völgyeinek betöltöttség-változását leíró kémiai vezéregyenletet (4.7.1. pont). Ekkor valójában átlagolunk: az egyes molekulák rezgési szintjei közötti átmeneteket a potenciálisenergia-hiperfelület egyes völgyei közötti átlagos reakciósebességgel helyettesítjük. A 4.7.1. pontban láttuk, hogy bonyolult, sok reakciócentrumot tartalmazó rendszerek esetén a kémiai vezéregyenletet sem tudjuk megoldani, így azt feltételezzük, hogy adott típusú reakciócentrumon adott típusú reakciók sebessége megegyezik. A kémiai vezéregyenlet közelítő megoldását a reakciócentrumok és a rajtuk végbemenő folyamatok véletlen megválasztásán alapló kinetikus Monte-Carlo-módszer segítségével kapjuk meg. Itt is átlagolást végzünk: adott reakció esetén a reakciócentrum távolabbi környezetének hatását csak átlagosan vesszük figyelembe. Ugyanakkor a reakciókat atomi méretskálán modellezzük. Nagyon nagy rendszerek esetén azonban ez a megközelítés nem célravezető, mert például egy makroszkopikus kémiai reaktorban temérdek reakciócentrumunk van. Egy négyzetangströmnyi platinafelületen nagyjából 10 reakciócentrummal számolhatunk, így egy négyzetméternyi platinára nagyságrendileg 1021 jut. És ne feledjük, hogy egy négyzetméternyi platina még nem is túl sok, ha figyelembe vesszük, hogy az iparilag alkalmazott platinakorom felülete grammonként ezt meghaladja.

Kémiai szimulációk az atomoktól a vegyipari reaktorokig

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2019

ISBN: 978 963 454 171 4

Szimuláció alatt egy berendezés, egy rendszer, egy jelenség várható viselkedésének, gyakorlati hatásának vizsgálatát és előrejelzését értjük. Szimulálhatjuk egy gép működését vagy egy lézer teljesítményét pusztán azáltal, hogy ismerjük a fizika megfelelő egyenleteit. Egy autó biztonságtechnikai vizsgálata is szimuláció, mint ahogy egy politikai párt választási eredményének vagy egy társadalom mobilitásának, egy gazdaság fejlődésének az előrejelzése is az. A Naprendszer pontos szimulációja lehetővé teszi, hogy kiszámítsuk egy távoli üstökös pályáját. Bolygónk légkörének szimulációja teszi lehetővé a ma már egyre megbízhatóbb meteorológiai előrejelzéseket. Kémiai szimulációk végrehajtásához a szükséges feltétel az adott fizikai jelenség ismerete, a megfelelő számítástechnikai módszerek választéka, egy nagy teljesítményű számítógép – valamint a megfelelő szakértelem. Könyvünkkel a megértéshez, a szakértelem alapjához szeretnénk segítséget nyújtani. Az olvasó a könyv végére érve képet kap a kémiai szimulációk fontosságáról és arról, hogy használatával a vegyészmérnöki munka során milyen hatalmas segítséget nyerhet. Titkon azt is reméljük, hogy talán kedvet is kap a szimulációkhoz, melyek a modern vegyészmérnöki feladatok egyre inkább nélkülözhetetlen eszközeivé válnak.

Hivatkozás: https://mersz.hu/kemiai-szimulaciok-az-atomoktol-a-vegyipari-reaktorokig//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave