научная статья по теме КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ Н-ДЕКАНА В ПРИСУТСТВИИ ИНГИБИРУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Химия

Текст научной статьи на тему «КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ Н-ДЕКАНА В ПРИСУТСТВИИ ИНГИБИРУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ»

КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2014, том 55, № 1, с. 20-23

УДК 542.943:542.978:547.841

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ «-ДЕКАНА В ПРИСУТСТВИИ ИНГИБИРУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

© 2014 г. М. В. Тихонова1, *, Г. Г. Гарифуллина2, А. Я. Герчиков2, С. И. Спивак2

Институт нефтехимии и катализа РАН, Уфа 2Башкирский государственный университет, Уфа *Е-таП: Margarita.vl2011@gmail.com Поступила в редакцию 27.03.2013 г.

Разработаны алгоритм и программное обеспечение для решения обратных задач химической кинетики методами условной глобальной минимизации отклонения расчетных данных от экспериментальных. Такой подход позволяет использовать более полную информацию о процессе, что уменьшает область допустимых решений и повышает качество математического моделирования химических реакций. Разработанные алгоритмы испытаны на примере кинетического описания сложной цепной реакции жидкофазного окисления н-декана в присутствии ингибирующей композиции пара-оксидифениламин—н-дециловый спирт.

БО1: 10.7868/8045388111401016Х

Ранее нами была разработана кинетическая модель реакции ингибированного окисления органических соединений, в которой в качестве ингибитора выступал пара-оксидифениламин (ПОДА) [1]. В настоящей работе восстановлена полная кинетическая картина более сложной реакции окисления органических соединений на примере окисления н-декана, ингибированного композицией, состоящей из ПОДА и н-децилового спирта. Такая композиция позволяет усиливать ингибиру-ющее действие ПОДА благодаря известному эффекту регенерации ингибитора в акте обрыва цепи [2]. В этом случае механизм ингибированного окисления усложняется, поскольку появляются стадии (Ш'), (I'), (II') и (VIII'):

И ^ 2г*, (И)

г' + ЯН ^ Я' + гН, (Ш)

я• + 02 ^ ЯО2, (I)

Я02 + яи ^ я • + яоои, (II)

яо2 + яо2 ^ яооя + о2 , (VI)

Я02 + !пН ^ Ы• + яоои, (VII)

Щ + ROOH ^ RO• + InH, (-VII)

Ь' + яо2^ Я00In, (VIII)

И

. I .

г + CH3()8COH ^ rH + СТ^CH2)8COH, (Ш')

И И

00'

. I

CH3()8сOH + O2 ^ CH3(CH3^^^ (I')

И И

И

I

RO2 + CH3(CH2)8COH ^

И (II')

^ СИ3(СИ2)8С0И +Я00Н, И 00'

CH3( CH2 )8C-OH + In' ^ И

^ InH + O2 + CH2 )8^

(VIII')

0

Инициатором (И) служил пероксид дикумила [С6Н5С(СН3)20]2. Символом ЯН обозначен субстрат окисления (н-декан), ЫН — ингибитор ПОДА. В качестве экспериментальной базы были использованы опубликованные ранее результаты [3]. В лабораторных условиях (табл. 1) реакцию ингибированного окисления н-декана с добавлением в окисляемый субстрат н-децилового спирта проводили при различных концентрациях последнего. Влияние ингибирующей композиции на скорость окисления н-декана изучали манометрическим методом по изменению скорости поглощения кислорода в присутствии добавок.

Таблица 1. Экспериментальные условия проведения реакции ингибированного окисления н-декана

Условия реакции

Ингибитор Объем, мл Т, оС [RH] [O2] [InH] [И] [СН3(СН2)8СН2ОН] Индукционный период, мин

моль/л

ПОДА 135 - 17

ПОДА— 7 140 5.13 7.5 х 10—3 2 х 10-4 3.88 х 10-4 0.1 20

н-децило- 0.5 33

вый спирт 1.0 54

Найденные в работе [1] с применением индексного метода глобальной оптимизации [4] константы скорости элементарных стадий механизма реакции в присутствии ПОДА удовлетворительно соответствуют литературным данным. Основной задачей при рассмотрении расширенной схемы окисления н-декана в присутствии ингибирующей композиции было установление кинетических параметров дополнительных стадий реакции, а также уточнение констант, найденных ранее в работе [1].

ПОСТАНОВКА ОБРАТНОЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ КАК ЗАДАЧИ УСЛОВНОЙ ГЛОБАЛЬНОЙ МИНИМИЗАЦИИ

В предыдущих работах [1, 4] обратную кинетическую задачу решали методами глобальной минимизации некоторого критерия отклонения ф(у) расчетных данных от экспериментальных:

ф(у) ^ min, y = (kj,k_j), (1)

где kj, k_j — приведенные константы скорости прямой и обратной j-й элементарной стадии.

Исследование ингибированного окисления н-декана, осложненного стадиями регенерации ингибитора (ill')-(VIII'), требует учета констант скорости элементарных стадий модельной реакции в присутствии ингибитора ПОДА (il)-(VIII) [1]. Общие стадии обоих механизмов (iI)-(VIII) должны описываться одними и теми же кинетическими параметрами. Ввиду наличия эффекта регенерации ингибиторов концентрация InH в окисляющихся спиртах должна быть больше, чем в классической схеме ингибированного окисления.

Вследствие существования структурной взаимосвязи между двумя механизмами задачу математического моделирования процесса ингибированного окисления н-декана целесообразно рассматривать как задачу условной минимизации, т.е. с учетом дополнительных ограничений.

Введем следующие обозначения:

1) вектор уклас — набор кинетических параметров классического механизма [1]

уклас = (Inkjj, lnkiII, lnkI, lnkII, lnkVI, lnkVII, lnkVIII, lnk—VII);

2) вектор y — набор кинетических параметров расширенного механизма в присутствии ингиби-рующей связки

у = (уклас, 1п£ш., 1п£г, 1п£1Г, 1п£шг);

3) функционал g(y) — критерий отклонения расчетных данных от экспериментальных (1) в модельной реакции окисления н-декана, описываемой стадиями (П)—(УШ);

4) gmin — минимум функционала g, найденный путем анализа набора констант уклас, первичная оценка которых приведена в работе [1];

5) функционал Ду) — критерий отклонения расчетных данных от экспериментальных (1) применительно к исследуемому в настоящей работе механизму реакции в присутствии ингибирующей композиции.

Требуется найти набор констант скорости элементарных стадий у, который минимизирует функционал ф(у), т.е. описывает механизм ингибированного окисления н-декана в окисляющихся спиртах. При этом должно сохраняться удовлетворительное соответствие между расчетными и экспериментальными данными для модельной реакции в присутствии ингибитора ПОДА, т.е. отклонение от уже найденного минимума gmin не должно превышать заданного значения е:

g(yклас) < gmin + е. (2)

Более высокая в ходе реакции концентрация ингибитора 1пН в окисляющихся спиртах по сравнению с модельным механизмом задается неравенством

м

8н(У) = £([1пН](*т,У) -[1пН]клас(?т,у> 0, (3)

т=1

где М — некоторое количество моментов времени ¿т, в которые сравнивают концентрации.

Одной из важнейших кинетических особенностей ингибированного окисления является наличие индукционного периода. Поэтому дополнительное условие накладывается и на его продолжительность. Метод автоматизированного определения индукционного периода реакции описан в работе [1]. Сумма относительных отклонений

расч

значений длины периодов индукции тк , рассчитанных в ходе решения прямых кинетических задач

Шэксп

, от экспериментальных значений тк во всех опытах (Р) не должно превышать 10%:

22

ТИХОНОВА и др.

Таблица 2. Константы скорости элементарных стадий реакции в присутствии ингибирующей композиции окисления н-декана

Источник информации Константа скорости

ki , с-1 kiii ki kii kvi kVii k-Vii kViii kiii' ki' kii' к ftViii'

моль 1 с 1

Расчет(140°С) 4.14 х х 10-5 1.02 х х 109 1.02 х х 109 3.04 1.34 х х 106 6.52 х х 105 2.70 х х 102 5.77 х х 106 2.08 х х 109 4.85 х х 108 1.11 3.28 х х 104

Лит. данные (135°С) 1.28 х х 10-4 109 109 8.80 4.00 х х 106 105 103 106 1010 109 — —

P расч / ч эксп / ч

/ч 1 \тк (у) -тк (у)

ш=р V—экп--— * 1. (4) рк=1 Tk (у)

Таким образом, обратная кинетическая задача идентификации модели радикально-цепного окисления н-декана в присутствии ингибирующей композиции решается как задача условной глобальной минимизации:

F(y) ^ min,

g(y) - gmin - е < 0,

-gn(y) < 0, (5)

gT(y) - 0.1 < 0.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Для построения математических моделей реакции ингибированного окисления н-декана был выполнен ряд вычислительных экспериментов по решению обратных задач химической кинетики. В результате решения задачи (5) был получен оптимальный набор констант скорости элементарных стадий (табл. 2). Важным требованием,

предъявляемым к решению, являлось соответствие литературным данным по порядку величины части найденных констант. При этом следует иметь в виду, что в различных литературных источниках величины констант различаются в пределах порядка. Это допущение было заложено в виде области поиска кинетических констант при решении обратных кинетических задач. В табл. 2 найденные константы сопоставлены с литературным данным [2, 5, 6].

Суммарное относительное отклонение рассчитанных периодов индукции по условию (4) составило 9%. На рис. 1 сравниваются расчетные и экспериментальные данные, относящиеся к двум исследуемым механизмам, которые описываются стадиями (И)-(УШ) и (П)-(УПГ).

Кинетические кривые (рис. 2) иллюстрируют выполнение условий (2) и (3). Вместе с тем наблюдается замедление расходования ингибитора 1пН при увеличении начальной концентрации спирта.

Итак, в настоящей работе с помощью разработанного математического подхода и представле-

[O2] х 103, моль/л 8.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1 Время, ч

Рис. 1. Кинетические кривые расходования кислорода при окислении н-декана в присутствии ПОДА (!) и композиции ПОДА—н-дециловый спирт при концентрации спирта, моль/л: 2 — 0.1, 3 — 0.5, 4 — 1.0. Точки — экспериментальные данные, сплошные линии — расчет.

[InH] х 104, моль/л 2.5

0.4 0.6 0.8 Время, ч

Рис. 2. Кинетические кривые расходования ингибитора 1пН при окислении н-декана в присутствии ПОДА (!) и композиции ПОДА—н-дециловый спирт при концентрации спирта, моль/л: 2 — 0.1, 3 — 0.5, 4 — 1.0.

[Я02] X 107, моль/л 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0

[Я00Н] х 103, моль/л 3.0

0.4 0.6 Время, ч

Рис. 3. Кинетические кривые изменения концентрации радикала Я02 при окислении н-декана в присутствии ПОДА (1) и композиции ПОДА—н-де-циловый спирт при концентрации спирта, моль/л: 2 - 0.1, 3 - 0.5, 4 - 1.0.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1

Время, ч

Рис. 5. Кинетические кривые изменения концентрации гидропероксида ИООН при окислении н-декана в присутствии ПОДА (1) и композиции ПОДА-н-де-циловый спирт при концентрации спирта, моль/л: 2 - 0.1, 3 - 0.5, 4 - 1.0.

[Я00Я] х 105, моль/л 6.0

0.6 Время, ч

Рис. 4. Кинетические кривые изменения концентрации пероксида Я00Я при окислении н-декана в

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком