基于模型(模型拟合)的分析方法

基于模型的独特动力学,全面分析化学反应

大约 95% 的化学反应都是多步反应。这就需要使用Kinetics Neo 软件 提供的多步分析引擎。

基于模型(模型拟合)的动力学分析方法是针对由单个反应步骤组成的复杂化学过程的分析方法,其中每个步骤都可以与其他反应步骤(连续、竞争、独立)单独连接,以建立复杂过程的动力学模型。基于模型的方法通过动力学方程系统来描述多步化学反应的反应速率,其中每个反应步骤都有自己的动力学方程和包含活化能、前指数因子 A 和反应类型的动力学三元组。

基于模型的方法得出的结果是带有各反应步骤动力学参数的动力学模型,而动力学参数是通过动力学模型与实验数据的最佳拟合求得的。 基于模型的方法可以显示各反应步骤的反应速率和各反应物的浓度。

耐驰公司开发了非凡的基于模型的分析方法。它使用强大的尖端数学计算来创建最佳动力学模型;然后还可以对不同的动力学模型进行统计比较。因此,这种方法没有使用无模型方法的缺点。

图 1.La(OH)3 分解的热重数据以及由两个连续步骤组成的动力学模型拟合。
图 2.偶氮苯甲酸:单步反应模型。
图 3.DSC:环氧树脂的放热固化发生在一种成分的内热熔化之后。两步动力学模型。
图 4.TGA:葡萄糖的分解。该模型包含竞争步骤。
图 5.仲钨酸铵分解过程中水的质谱图。该模型包含连续和竞争步骤。

基于模型的动力学分析基于三个假设:

1. 反应由几个基本反应步骤组成,每个步骤的反应速率都可以用给定步骤的动力学方程来描述,该方程取决于初始反应物的浓度ej、生成物的浓度pj、预指数Aj和活化能Ej(仅针对编号为 j 的该步骤),如下所示:

每个步骤都有自己的反应类型,由函数fj(ej;pj) 描述。

这些函数的例子包括f=e2 的二阶反应、f=empn的带加速度的普鲁特-汤普金斯反应以及 f=0.5/p 的一维扩散反应。动力学方程的数目等于反应步骤的数目;在反应物为生成物的反应步骤中,每种反应物的浓度都会增加,而在反应物为起始物质的反应步骤中,每种反应物的浓度都会减少。

2.所有动力学参数,包括活化能、预指数、反应顺序和反应类型,均假定在每个反应步骤的反 应过程中保持不变。

3.总的热分析信号是各个反应步骤信号的总和。每个步骤的信号计算为反应速率乘以给定步骤的总效应,如总焓变或总质量损失。

独特的灵活模型设计器Kinetics Neo

基于模型的动力学分析为动力学模型的可视化设计提供了可能,模型中可连接任意 组合的步骤数量不限

通过在模型的任意 位置添加新的独立、连续或竞争反应步骤,可以灵活地设计模型。

模拟反应步骤可以直观地移动到实验曲线上的相应步骤。然后就可以对该步骤的参数进行优化。

基于模型的方法结果

Kinetics Neo该引擎采用非线性回归方法,可以优化各个步骤或整个模型的参数。拟合结果显示了实验曲线和模拟曲线之间的一致性:

  • 信号
  • 转换
  • 转换率
  • 所有反应物的浓度
  • 所有步骤的反应速率
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