научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ИНГИБИРОВАННОГО РАДИКАЛЬНО-ЦЕПНОГО ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ИНГИБИРОВАННОГО РАДИКАЛЬНО-ЦЕПНОГО ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ»

КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2013, том 54, № 4, с. 429-433

УДК 542.943:542.978:547.841

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИИ ИНГИБИРОВАННОГО РАДИКАЛЬНО-ЦЕПНОГО ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

© 2013 г. М. В. Тихонова1, *, Г. Г. Гарифуллина2, А. Я. Герчиков2, С. И. Спивак2

Институт нефтехимии и катализа РАН, Уфа 2Башкирский государственный университет, Уфа E-mail: Margarita.vl2011@gmail.com Поступила в редакцию 01.07. 2012 г.

Предложен программный комплекс для решения обратной задачи химической кинетики в реакциях ингибированного окисления органических соединений, разработанный на примере модельной реакции ингибированного окисления н-декана.

DOI: 10.7868/S0453881113040205

Окисление органических соединений относится к числу вырождено-разветвленных цепных реакций, механизм которых достаточно хорошо изучен [1, 2]. Однако известны константы скорости далеко не всех элементарных стадий этого процесса, что связано с методической сложностью регистрации малых концентраций компонентов реакции и крайне коротким временем жизни промежуточных частиц (атомов и радикалов). Поэтому для решения обратной задачи химической кинетики весьма актуальным становится применение методов математического моделирования, которые были успешно использованы, в частности, при анализе механизма реакций радикально-цепного окисления органических соединений [3, 4]. Однако при наличии в системе добавок ингибиторов или ингибирующих композиций, когда число элементарных стадий и промежуточных частиц увеличивается, описание механизма таких реакций значительно усложняется.

С целью детального анализа кинетики и установления механизма подобных реакций в настоящей работе на примере модельной реакции инги-бированного окисления н-декана был разработан программный комплекс для решения обратной задачи химической кинетики. В качестве основы для разработки алгоритма и создания программы были выбраны экспериментальные данные об окислении н-декана в присутствии классических ингибиторов окисления — а-нафтиламина (НА) и пара-оксидифениламина (ПОДА) [5]. Применяли классическую схему ингибированного окисления, которая включает следующие ключевые элементарные стадии [1, 2, 6, 7]:

И) И ^ 2г* ,

12) г' + ЯН ^ Я' + гН,

1) R' + O2 ^ RO2,

2) RO2 + RH ^ R + ROOH,

6) RO2 + RO2^ ROOR + O2,

7) RO2 + InH ^ In * + ROOH,

-7) In * + ROOH ^ RO2 + InH,

8) In' + RO2 ^ ROOIn.

Согласно данным [6, 7], в молекуле ПОДА первичной атаке пероксильным радикалом подвергается аминогруппа, в которой связь N—H является менее прочной, чем связь O—H в гидроксильной группе. В качестве инициатора (И) в работе [5] использовали пероксид дикумила. Символом RH обозначен субстрат окисления (н--декан), InH — ингибитор (НА или ПОДА). Расчеты были выполнены для разных концентраций ингибиторов и постоянной скорости инициирования, при которой сохраняется радикально-цепной механизм окисления субстрата.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЯМОЙ

И ОБРАТНОЙ КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Объектом исследования являются системы уравнений химической кинетики — математические системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений (ОНДУ) для модели изотермической нестационарной реакции, протекающей без изменения объема реакционной смеси в закрытой системе по закону действующих масс [3]. Правые части уравнений полиномиального типа зависят от величины констант скорости элементарных стадий сложной химической реакции. Обратная задача состоит в определении этих констант на основании экспериментальных данных о

430

ТИХОНОВА и др.

концентрациях участвующих в реакции веществ, которые рассматриваются как переменные исходной системы [4].

Построение кинетической модели любой химической реакции требует решения двух фундаментальных задач: экспериментального исследования химического объекта и математической обработки полученных данных для идентификации модели [8].

Прямая кинетическая задача

На этапе математической обработки экспериментального материала производят постановку и решение прямой и обратной кинетических задач.

Прямая кинетическая задача — это расчет состава реагирующей смеси применительно к заданной кинетической модели. Математическое описание прямой задачи для изотермической нестационарной модели, в которой реакция протекает без изменения объема в закрытой системе по закону действующих масс, включает систему ОНДУ [4]:

N

^ = ' = 1....М; $ = V ;

& ' ^ 1 1

1=1

(1)

= к;П (С У"1 - ^П С/

1=1

'=1

с начальными условиями

X' (0) = х' (0), (2)

где С1 — концентрация вещества /, участвующего в реакции (в мольных долях), М — количество вещества, N — количество стадий, ау и в у — положительные и отрицательные элементы стехиометри-ческой матрицы соответственно, — скоростьу-ой стадии (в с-1), ку и ку — приведенные константы скорости прямой и обратной стадий соответственно (в с-1).

Обратная кинетическая задача

Обратная кинетическая задача состоит в установлении на основании экспериментальных данных вида кинетической модели и ее параметров (констант скорости, энергий активации и частот столкновений реагирующих молекул в элементарных стадиях). Поиск кинетических констант осуществляют путем многократного решения прямой кинетической задачи и минимизации критерия, позволяющего оценить расхождение между экспериментальными и расчетными данными:

Ф (кл к-1)

К п Н

К VV V

к=1 '=1 1 =1

расчет к'1

- С

к'1

шт, (3)

где ку и к_у — приведенные константы скорости прямой и обратной элементарных стадий соответственно (ку и к_у > 0); с]расчет — расчетные значения концентраций наблюдаемых веществ, полученные в результате решения прямой кинетической задачи с набором констант ку и к_у (в мольных

\ эксп

долях); ск'1 — экспериментально наиденные концентрации наблюдаемых веществ (в мольных долях); Н — количество наблюдаемых веществ; п — количество экспериментальных точек, К — количество экспериментов.

Для минимизации функционала (3) применяли параллельный индексный метод глобальной оптимизации [4].

Математическое моделирование индукционного периода

Наличие периода индукции является одной из важных кинетических особенностей реакций радикально-цепного окисления в присутствии ингибитора. Данные о продолжительности периода индукции используют для описания кинетического поведения реакционной системы, выявления деталей механизма реакций и характеристики активности ингибиторов. Период индукции определяют как интервал времени, в течение которого ингибитор тормозит процесс окисления. Экспериментально период индукции отсчитывают с момента, когда реакция начинает протекать в режиме прогрессирующего самоускорения и до момента, когда это самоускорение резко усиливается [1].

Количественно индукционный период оценивают по положению на шкале времени точки, в которой пересекаются две касательные к кинетической кривой, проведенные в начальный и конечный моменты времени реакции. При математическом моделировании длину периода индукции определяли по формуле

Т _ х(/о) — x(tN) + x(tN)tN (4)

X($N) - Х'(^) ' где х(^) и х^) — концентрации вещества, по которому определяется период индукции, в начальный и конечный моменты времени соответственно.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Для математической идентификации кинетических моделей реакции ингибированного окисления н-декана применяли разработанный программный комплекс, в соответствии с которым прямую кинетическую задачу решали полуявным методом Мишельсена с автоматическим выбором шага интегрирования [9], применимым к жестким системам ОНДУ. Обратные кинетические за-

Экспериментальные условия проведения реакции ингибированного окисления н-декана

Ингибитор Параметр

V, мл Т, °С [ЯН] [О2] [1пИ] [И]

моль/л

Пара- оксидифениламин 7 135 5.13 7.5 х 10—3 2 х 10-4 3.88 х 10—3

а-Нафтиламин опыт 1 6 90 4.38 5.3 х 10-2 1 х 10-4 0.757

опыт 2 » » » » 2 х 10-4 »

опыт 3 » » » » 3 х 10-4 »

дачи решали при помощи индексного метода глобальной оптимизации [4].

В лабораторных условиях ингибированное окисление н-декана проводили в присутствии па-ра-оксидифениламина или а-нафтиламина при температурах 135 и 90°С соответственно (таблица). В опытах с а-нафтиламином варьировали концентрацию ингибитора. В ходе эксперимента измеряли поглощение кислорода и вычисляли его концентрацию в отдельные моменты времени. Ниже приведены константы скорости элементарных стадий ингибированного окисления н-дека-на при 135°С, известные из литературы [10]:

к1Ь с 1 к,2

к.

к2

к7

. кб л моль-1с-1

к—

кя

1.28 х 1 х 1 х 8.80 4.0 х 1 х 1 х 1 х х 10-4 х 109 х 109 х 106 х 105 х 103 х 106

различных литературных источниках варьируются в пределах одного порядка [10].

На основании экспериментальных данных был проведен ряд вычислительных экспериментов по решению обратной задачи и выполнена предварительная оценка констант скорости элементарных стадий реакций при 135°С с участием пара-окси-дифениламина и при 90°С с участием а-нафтиламина.

В присутствии пара-оксидифениламина:

к11, с

к2

к1

к2

к7

к6

л моль-1 с-1

к-

1.26 х 1 х 1 х 11.59 4.0 х 7.3 х 5.96 х 3.0 х х 10-5 х 109 х 109 х 106 х 106 х 102 х 104

В присутствии а-нафтиламина:

Приоритетной была задача оценки кинетических параметров элементарных стадий зарождения, продолжения, разветвления и обрыва цепи. Следует иметь в виду, что константы скорости в

к1 с 1 ка

к1

к2

к6

к7

л моль-1 с-1

3.46 х 1 х 1 х 3.18 1.21 х 7.91 х1.72 х1.08 х

х 10-7 х109 х 109 х 106 х 105 х 102 х 105

к

8

к

к

8

Концентрация О2, моль/л [1пИ],

Время, мин

Рис. 1. Кинетические кривые расходования кислорода при окислении н-декана в присутствии а-нафтиламина при 363 К (точки — экспериментальные данные, сплошные линии — расчет).

432

ТИХОНОВА и др.

Концентрация, моль/л

Время, мин

Рис. 2. Индукционные периоды расходования кислорода (1) и накопления гидропероксида ЯООН (2) в реакции ингибированного окисления н-декана в присутствии пара-оксидифениламина при 408 К и [1пН] = = 2.0 х 10—4 моль/л. Штриховые линии — касательные к кинетическим кривым. Точки пересечения — количественные значения индукционных периодов.

Сравнение расчетных и экспериментальных концентраций кислорода (рис. 1) показало, что применявш

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