Chemical Kinetics Basics: 모든 사용자가 알아야 함

심지어 우리의 행성과 그 위에 있는 모든 생명체들은 생화학적 공장입니다. 따라서, 화학 역학 및 열역학은 제품이 생체적합성이며 오염이 없는지 여부를 판별하는 데 도움이 됩니다.

오늘날의 소비자를 위한 엔지니어 설계를 지원하기 위해 여기에는 프로세스 ( 화학 재스캔이 있습니다.
 

케미컬 키네틱스 (Chemical Kinetics) 란 무엇인가?

동역학은 화학종이 그들의 분자 결합을 파괴하고 개질함으로써 새로운 물질로 변화하는 속도를 말해준다. 즉, 화학 반응의 속도와 과정을 연구합니다.

화학적 동역학은 반응 속도를 연구하는 반면, 열역학은
반응이 발생하고 어떤 방향으로 진행될지 연구합니다.

화학적 동역학은 화학의 열역학과는 다르다는 것을 주목해야 한다. 동역학은 여러분이 얼마나 빨리 그곳에 도달하는지를 결정하는 반면, 열역학은 여러분이 가는 방향을 결정하고 결국에는 당신이 어디로 가게 되는지를 결정합니다.

이러한 방법을 생각해 보십시오. 화학약품이 열역학적 평형 상태에 있는 경우 반응 경로가 존재함을 나타내는 반응속도에도 반응이 없을 것입니다.
 

깁스 자유 에너지 또는 화학적 포텐셜 에너지의 개념

생성물의 잠재적인 에너지가 반응물보다 더 큰 경우, 그 반응이 일어나기 위한 장벽이 존재한다. 제품의 잠재적 에너지가 반응물보다 적으면 반응이 발생합니다.

사과가 나무에서 떨어지는 것처럼, 자연은 잠재적인 에너지를 최소화하는 한 점으로 반응을 옮기기를 원합니다.

가 특정 제품을 생산하기 위해 평형 반응을 추진하려는 경우 온도, 압력 및 화학종 농도를 변경하여 화학적 혼합물의 화학적 가능성을 조작할 수 있습니다.
 

비율 법칙 및 반응 순서에 관계하는 방법

반응 순서는 반응물과 관련된 화학종의 수를 의미합니다.

분자가 분해되는 분자내 반응은 하나의 반응 순서를 갖는다. 두 개의 분자/원자가 충돌하도록 하려면 두 개의 순서가 있어야 합니다.

non-elementary(종종 "글로벌"이라 불리움) 반응의 경우 반응 순서는 경험적으로 판별될 수 있습니다.

zA + yB + … + aZ = Products

Rate = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ … ∙ [Z]a

비율은 상수 (k), 반응물의 농도 ([A], [B] 및 [Z]) 및 반응 순서 (z, y및 a) 에 따라 다릅니다. k의 값은 계산적으로 또는 경험적으로 결정될 수 있다. 유닛은 화학 반응의 균형 방정식을 기초로 하며 반응 순서에 따라 변할 것이다. 이를 기억하는 가장 쉬운 방법은 비율의 단위가 항상 같음을 기억하는 것입니다.

측정 또는 계산 분자 역학에 의해 모든 반응에 대한 k값을 결정하는 것은 비현실적이다. 다행히도, 엔지니어들은 공지된 반응에 대한 속도 값의 라이브러리에 기초하여 미지의 반응의 속도를 추론할 수 있다. 그래서, 기본적인 반응을 연구하고 분류함으로써, 과학자들은 다른 반응을 추정하기 위한 비율 규칙을 개발했습니다.

반응 비율에 영향을 줄 수 있는 기타 요인은 다음과 같습니다.

• Temperature
• 압력
• Light (for photolytic reactions)
• 전자석 (플라즈마 또는 전기화학 반응용)
• 화학종의 상태: 솔리드, 액체 또는 가스
• Presence of catalysts
• 분자 크기 및 구조
• 표면 적용 범위
• Particle size
  
   

글로벌 반응의 개념

종종 화학공학 교과서는 다음과 같은 기본적인 반응을 보일 것입니다.

zA + yB + … + aZ = Products

실제로 이 반응은 단계적으로 수천 개의 기본적인 반응이 발생할 수 있습니다. 모든 기본 반응이 완료될 때 전체 반응은 위의 A, B, C및 D 구성요소로 단순화될 수 있습니다.

실제 물리적 테스트 및 복잡한 기하학적 구조

복잡한 반응을 최적화하는 것을 어렵게 만듦니다. 그러나 시뮬레이션은
단순화할 수 있습니다
이러한 시스템의 평가

이러한 하위 반응 중 일부는 압력이나 온도에 의존하지 않을 수 있습니다. 다른 것들은 반응하기 전에 충돌하기 위해 3개 이상의 종이 필요하여 상당히 복잡할 수 있습니다. 다른 것들은 촉매를 도입하여 시스템이 특정 반응 경로를 선호하도록 함으로써 속도를 높일 수 있습니다.

그럼에도 불구하고, 각각의 이러한 부반응은 다양한 방식으로 전체 반응의 속도에 영향을 줄 수 있다. 교과서는 엔지니어들에게 기본적인 반응을 결합하여 전체적인 반응을 이해하도록 가르칠 수 있다. 그러나 수백 종의 종과 수천 개의 반응이 있는 경우 프로세스는 평균적인 사람이 조작하기에는 너무 복잡합니다.

전통적으로 엔지니어들은 복잡한 반응 속도를 실험적으로 결정해야 했습니다. 최근에는 최적의 온도, 프로세스 조리법 또는 압력을 찾아 시스템을 특정한 주요 경로로 이동시키기 위하여 시뮬레이션을 활용함으로써 이러한 반응을 쉽게 연구할 수 있습니다.
 

엔지니어가 화학적 역학 및 열역학을 어떻게 디자인하여 더 나은 제품을 설계할 수 있습니까?

핵심은 엔진의 온도, 압력 및 공기 혼합물을 제어하여 가장 많은 에너지를 독점적으로 생산하는 프로세스를 제어하는 것입니다.

는 가솔린이 모놀리식 화학종이 아니라는 점입니다. 그것은 위치, 계절, 제조 공정에 따라 농도가 달라질 수 있는 물질의 분포로 구성되어 있습니다. 그 결과, 엔지니어들은 엔진을 설계해야 하기 때문에 다양한 연료로 작동합니다.

엔진 내부에는 수천 개의 반응이 있어 복잡한 시스템이 된다. 따라서, 시뮬레이션을 사용하는 것이 어느 프로세스를 지배하는지를 컨트롤할 수 있는 가장 좋은 방법입니다.

시뮬레이션은 엔진의 계산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션에 이들을 포함시켜 모든 잠재적인 화학 반응을 평가할 수 있습니다. 그런 다음, 엔지니어는 이러한 시뮬레이션을 사용하여 대상 프로세스가 지배할 때까지 디자인을 조정하고 최적화할 수 있습니다.

엔지니어는 또한 엔진의 다른 측면을 시뮬레이션에 추가하여 엔진 효율성 트레이드오프, 연료 효과, 열 전송 등을 연구할 수 있습니다. 결과적으로, 이들은 화학 반응기 설계를 최적화할 수 있습니다.

자세한 정보를 보려면 Ansys Chemkin-Pro 를 읽고 웨비나를 보십시오. Accurate CFD 컴버스 (CFD Combustion) 및 재처리 플로우 시뮬레이션 (Reacting Flow Simulations) 용 Ansys Chemkin-Pro.

ANSYS, Inc. 브랜드, 제품, 서비스 및 피처 이름, 로고 및 슬로건 (예: Ansys, Ansys Chemkin, Ansys Chemkin-Pro) 은 미국 또는 기타 국가에서 ANSYS, Inc. 또는 자회사의 등록상표 또는 상표입니다.