Fizikai kémia és elméleti kémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
zsűri
Kémia 1
Kutatóhely
Kémiai Intézet (Eötvös Loránd Tudományegyetem)
résztvevők
Kovács Tamás Nagy Tibor Zsély István Gyula
projekt kezdete
2007-07-01
projekt vége
2011-07-31
aktuális összeg (MFt)
7.972
FTE (kutatóév egyenérték)
3.35
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A reakciókinetikai modellek alapjában véve nemlineárisak. Az egyes paraméterek megváltoztatása általában különbözőképpen hat az egyes koncentrációk lefutására, és különbözőképpen kis és nagy reakcióidőknél. Több olyan kinetikai rendszert találtunk azonban (hidrogén-, CO- és metán-oxigén elegyek égése és robbanása, egy enzimkinetikai rendszer), amelyeknél a paraméterek nagy részének megváltoztatása azonos módon hat a koncentráció-idő görbékre, tehát a kinetikai modell lineáris modellekhez hasonlóan viselkedik. Az ilyen modellek lokális érzékenységi függvényei hasonlók és nagyon különböző paraméterkészletek esetén is csaknem azonos szimulációs eredményeket kaphatunk. A tervezett kutatás egyik célja, hogy újabb ilyen viselkedésű kinetikai rendszereket találjunk. Ehhez szisztematikusan meg kívánunk vizsgálni számos égéskémiai, légkörkémiai, pirolízis- és enzimkinetikai rendszert. Új matematikai és számítástechnikai eszközöket tervezünk kidolgozni az érzékenységi függvények hasonlóságának vizsgálatára. Az érzékenységi függvények hasonlóságának jelenlegi elmélete nem magyaráz meg minden tapasztalatot, ezért annak továbbfejlesztését tervezzük. A reakciókinetikai modellek ilyen tulajdonságainak számos messze ható következménye van a modellek validálása, a mérési adatok feldolgozása és a reakciókinetikai modellek gyakorlati alkalmazása tekintetében.
angol összefoglaló
Chemical kinetic models are basically nonlinear. Change of the parameter values have different effect on the various concentrations and at different reaction times. However, several chemical kinetic models (combustion of hydrogen-, CO- and methane-oxygen mixtures, an enzyme kinetic model) have been found where changing several parameters one by one have similar effect on all concentration-time curves, that is the model behaves similarly to linear ones. In the case of such models the sensitivity functions have similar shapes and models having very different parameter sets may produce almost identical simulation results. One of the aims of the planned research is to find further such chemical kinetic systems. A series of combustion, atmospheric chemistry, pyrolytic and enzyme kinetic models will be investigated. New mathematical and computational tools will be elaborated for the study of the similarity of sensitivity functions. Current theory of the similarity of sensitivity functions will be extended to explain all results of numerical experiments. The investigated features of chemical kinetic models have far reaching consequences for the validation of models, interpretation of experimental data and practical applications of chemical kinetic models.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A kémiai folyamatok időbeni lefutását és a részfolyamatok sorrendjét részletes reakciómechanizmusokat tartalmazó modellekkel lehet vizsgálni. Ilyen reakciómechanizmusokat általánosan használnak égések leírására, légkörkémiában, valamint pirolízis folyamatok és biokémiai rendszerek vizsgálatára. A kémia valamennyi, itt felsorolt területén alkalmaztunk reakciókinetikai modelleket tudományos és gyakorlati szempontból is fontos jelenségek szimulációjára. Ezek a matematikai modellek erősen nemlineárisak, ami a vizsgálatukra új eszközök kifejlesztését kívánta meg. Számítottuk a modellek megoldásának érzékenységét a paraméterek változtatása hatására. Több esetben azt találtuk, hogy ezek az érzékenységi függvények hasonlóak egymáshoz, ami arra vezet, hogy a nemlineáris modell egyes körülményeknél lineárisan viselkedik. Új, az eddigieknél sokkal hatékonyabb eszközöket fejlesztettünk ki reakciómechanizmusok redukciójára, tehát az eredetinél sokkal kisebb, csaknem azonos szimulációs eredményeket adó modell megtalálására. Vizsgáltuk a paraméterek bizonytalanságának hatását a szimulációs eredmények bizonytalanságára. Elsőként foglalkoztunk annak vizsgálatával, hogy milyen kapcsolat van az Arrhenius-paraméterek bizonytalansága és az azokból számított reakciósebességi együttható hőmérsékletfüggő bizonytalansága között. Több elemi gázreakció esetén becsültük az Arrhenius-paraméterek együttes bizonytalanságát. A pályázat támogatásával 11 referált cikk, négy konferenciacikk és egy könyv jelent meg. A kutatási témában résztvevő hallgatók 9 TDK dolgozatot, 5 szakdolgozatot és egy PhD értekezést készítettek.
kutatási eredmények (angolul)
The temporal behaviour of chemical processes and the order of subprocesses can be simulated using mathematical models based on detailed reaction mechanisms. Such mechanisms are widely used for the description of combustion and atmospheric chemical processes and at the investigation of pyrolytic and biochemical systems. Reaction kinetic models, related to all these fields of chemistry, were applied for the simulation of processes of both academic and industrial importance. These models are strongly nonlinear and we developed a series of mathematical and computational tools for the investigation of them. The sensitivity of the model output to parameter changes was investigated. In several cases the similarity of the sensitivity functions was detected, which means that these models behave linearly at certain circumstances. New, more effective methods were developed for the reduction of reaction mechanisms. Mechanism reduction means the construction of a much smaller model that provides simulation results almost identical to the original one. The effect of the uncertainty of parameters on the uncertainty of simulation results was explored. The relation between the uncertainty of the Arrhenius parameters and the temperature dependent uncertainty of the rate coefficient was investigated. The joint uncertainty of the Arrhenius-parameters was determined for several gas-phase elementary reactions. Based on the support of the grant, 11 peer-reviewed articles, 4 conference papers and one book were published. The students participated in the research prepared 9 project (“TDK”) reports, 5 BSc or MSc theses and one PhD thesis.
I. Gy. Zsély, T. Varga, T. Nagy, M. Cserháti, T. Turányi, S. Peukert, M. Braun-Unkhoff, C. Naumann, U. Riedel: Determination of rate parameters of cyclohexane and 1-hexene decomposition reactions, Energy, in press, 2012
