我的动力学模型中使用了哪些方程?

Kinetics Neo 软件中的方程式

1.方程动力学模型

让我们来看看测量三步反应的典型示例。总质量变化是初始质量和最终质量之差。

图 1 实验数据和总质量损失。

三步反应为实验提供了完美的契合点。

图 2 三步动力学模型的实验数据(点)和模拟数据(曲线)。

这里 A 是初始物质,B 和 C 是中间物质,D 是最终产物。它们的浓度分别为 a、b、c、d。

2.出口公式

要将模型方程导出到文本文件中,请执行以下操作

  • 在左侧树状面板中选择您感兴趣的模型
  • 然后在基于模型的属性面板底部点击 "Export Parameters(导出参数)"按钮。

3.每个反应步骤的反应速率公式

反应物 X 反应生成产物 Y 的每个反应步骤都有自己的参数和反应速率方程。

其中

  • R 是气体常数、
  • T 是绝对温度。

加热 10K/min 时所有反应物的浓度示例。我们使用从 0 到 1 的形式浓度。

图 3 模型中各反应物的浓度。

开始时,A 的浓度为 1,B、C 和 D 的浓度为零。

首先,A 与 B 反应,此时 A 的浓度降为零,中间产物 B 的浓度增加,并在 300°C 时达到最大值。

第一步反应的反应速率为:

d(a->b)/dt=PreExp*F(a,b)*Exp[-活化能/(RT)]。

该步骤的所有单个参数,如

  • 活化能,千焦/摩尔
  • 预指数因子,对数10(1/s)
  • 反应顺序
  • 反应类型 F(a,b)

......写在步骤 A->B 部分。

预指数因子的结果总是用十进制 对数表示,单位为Kinetics Neo 。

此时,B 的浓度降至零,而中间产物 C 的浓度增加,并在 520°C 时达到最大值。

第二步反应的反应速率为

d(b->c)/dt=PreExp*F(b,c)*Exp[-ActivationEnergy/(RT)]。

该步骤的所有参数已写入步骤 B->C 部分。

在此,第二中间产物 C 的浓度降至 0,最终产物 D 的浓度从 0 增至 1。

第二个反应步骤的反应速率为

d(c->d)/dt=PreExp*F(b,c)*Exp[-ActivationEnergy/(RT)]。

该步骤的所有参数都写在步骤 C->D 部分。

4.每种反应物的浓度公式

每个初始反应物在过程开始时的初始浓度都等于 1。这种反应物有一种或几种反应方式,因此其浓度会降低。

在本例中,初始反应物 A 的浓度会因为反应 A->B 而降低:

da/dt=-d(a->b)/dt

过程开始时,每种中间反应物的浓度都为零。中间反应物的浓度会因反应步骤而增加,在反应步骤中,中间反应物扮演生成物的角色。例如,这里反应物 B 的浓度因反应步骤 A->B 而增加。

同一中间产物的浓度会因为该反应物起反应物作用的反应步骤而降低。此处,反应物 B 的浓度因反应步骤 B->C 而降低。

B 的瞬时浓度速率是其增加部分和减少部分的总和:

DB/DT=D(A->B)/DT-D(B->C)/DT

中间反应物 C 的浓度因步骤 B->C 而增加,因步骤 C->D 而减少:

DC/dt=D(B->C)/DT-D(C->D)/DT

最终生成物的初始浓度为零。由于最后一个反应步骤产生了这种物质,所以浓度增加。这里的最终生成物 D 是反应步骤 C->D 的结果,其浓度因最后一个反应步骤而增加。

dd/dt=d(c->d)/dt

在任何时间点,所有浓度之和都等于 1:

a+b+c+d=1

通过求解浓度和反应速率的方程组,可以找到动力学模型中每个反应物的浓度。

5.平衡方程

平衡方程负责根据已知的反应速率和浓度计算信号(DSC、TGA......)。

5.1 积分信号的平衡方程

积分信号包括 TGA、DIL、DEA、ARC 温度和流变仪。

对于积分数据,总信号取决于各个反应步骤的转化率总和。

每个反应步骤都有贡献参数。贡献参数显示了当前反应步骤在总信号变化中所占的比例。

图 4.各个步骤对总效果的贡献。

在图中,总质量损失为 100%,各个反应步骤的贡献是其中的一部分。

每个反应步骤的转化率显示了反应步骤中已经发生反应的部分。其计算公式为该反应步骤从反应开始到当前时间点的反应速率的积分:

例如,第一个反应步骤 A->B 的转化率计算公式为

步进转换和步进贡献的乘积产生与该步进相对应的信号变化。因此,这些乘积之和是所有步长信号变化的一部分,信号的计算公式为

例如,对于三步反应,导出的热重信号方程写为

质量=初始质量 - 总质量变化* [贡献(a->b)*积分[d(a->b)/dt]dt

[贡献(a->b)*中性[d(a->b)/dt]dt + 贡献(b->c)*中性[d(b->c)/dt]dt + 贡献(c->d)*中性[d(c->d)/dt]dt]

5.2 差分信号的平衡方程

差分信号为 DSC 和 MS 信号。

对于差分数据,总信号取决于各个反应步骤的反应速率之和。

每个反应步骤都有贡献参数。贡献参数显示了当前反应步骤在总峰面积中所占的比例。对于 DSC,总信号的计算公式如下:

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