一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法技术

一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，通过量子化学方法计算确定催化反应的界面动力学问题，利用随机行走方法来解决化工过程中的传质问题，利用统计和概率分布法建立全过程模拟模型，并结合正交实验数据进行参数化，模拟多相催化反应。从而为开发新工艺，优化生产条件提供理论预测和指导。

A random walk method combined with statistical distribution for optimizing chemical catalytic reaction process

A method for the statistical distribution of the random walk simulation based optimization process of chemical reaction, calculated by quantum chemistry method of interface dynamics of catalytic reaction, using the random walk method to solve the problem of mass transfer in chemical process, using statistical and probability distribution method to establish the whole process simulation model, and the parameters with orthogonal the experimental data, the simulation of multiphase catalytic reaction. So as to provide theoretical prediction and guidance for the development of new technology and optimization of production conditions.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及分析化学、计算化学
，具体涉及一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法。
技术介绍
化学工程涵盖了石油化工、煤化工、天然气化工、有机合成、制药等产业，是现代生产的一个重要工业部门。化工生产具有产量基数大、能源消耗大、废弃物多等特点，所以对现有工艺的优化提升势在必行。然而，优化过程也需要浪费大量原材料和人力物力，产生大量废品和污染物，若优化参数不当，甚至会发生生产事故。所以减少优化过程中的实验次数具有重要的现实意义。目前实现这一目的的方法主要有实验和仿真两种。实验方法主要是替代实验，即利用小体系代替大体系、过程的局部代替过程的整体等，从而减少在大设备上的优化实验。但是后续的放大过程是耗时费资的，甚至存在安全隐患。另外，具体生产条件仍需通过正交实验来确定。正交实验法可以在不降低实验可行度的前提下大幅度减少实验次数，并确定生产的较佳条件。实验方法虽然可以用于化工过程优化，但仍需要做大量的实验。若是利用少量的正交实验数据，再结合仿真模拟则有望确定生产的最佳条件。这样就可以从根本上解决化工反应过程中存在的优化问题。快速发展的计算机技术促进了仿真模拟的应用。目前国内外已经开发了很多软件用于化工过程的优化，常用的软件平台有Phoenics、Fluent和CFX三种。但是现有的仿真模拟软件都是基于有限元原理设计开发的，可有效模拟大尺度传质过程。但对催化反应不具有普适性，仅对某些体系适用。此外，这些软件不能同时给出化工过程中的诸多细节，特别是包含发生在催化剂表面的化学反应步骤的细节。量子化学计算软件可以从分子水平上来模拟化学反应，给出反应过程的细节，如吸附结构、分子能量、过渡态的能量和化学键等。现有量子化学模拟包含了大量与反应能量和速率无关的冗余信息，且需要的计算资源较多，不能适用化工过程。结合上述软件特点，提出一种可以模拟化工多相反应全过程的方法是十分必要的。本项目将探索通过量子化学方法计算确定催化反应的界面动力学问题，利用随机行走方法来解决化工过程中的传质问题，利用统计和概率分布法建立全过程模拟模型，并结合正交实验数据进行参数化，模拟多相催化反应。从而为开发新工艺，优化生产条件提供理论预测和指导。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的提供了一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，通过对化工多相反应过程深入分析来提出合理的模拟模型，根据量子化学计算结果和少量实验数据对化学反应过程进行参数化处理，利用已有量子化学知识和随机行走模拟系统，利用统计、几率化、随机行走等方法在提出一种更具普适性的方法来简介、快速、精确地实现对真实化工多相反应过程进行全方位、全细节、全时间的模拟。本专利技术采用的技术解决方案是：一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用扫描电镜观察催化剂表面情况，统计不同催化晶面的比重；使用量子化学方法模拟表面催化反应过程，得到反应物的结构和活化能，同时结合实验数据依据公式K0＝Aexp(-ΔG*/RT)求出反应速率常数K0和指前因子A；(2)依据上述不同催化晶面的比重、反应速率常数K0和指前因子A，以及实验数据对催化过程进行参数化处理；(3)将化工反应器简化为具有周期结构的单元，单元中包含反应物及产物粒子可以自由运动的有边界空间，也包括粒子不可进入的催化剂势垒；(4)反应物粒子与催化剂势垒碰撞时，产生吸附现象，由Frenkel表达式t＝t0exp(Q/RT)确定待分离粒子在势垒壁上的停留时间，其中，Q为吸附能，R为气体常数，t0为垂直表面的振动时间，t为停留时间；(5)反应物粒子在催化剂上同时停留在一定范围内时，则会发生催化反应，通过步骤(1)中的不同催化晶面的比重和活化能参数得到其催化反应的几率和效率；(6)待反应物及产物粒子在随机运动的同时叠加一个方向与粒子流速方向一致的定向运动，其流动速率与粒子所受驱动力有关；(7)采用串行或并行的方式对多个粒子在反应器中的运动进行模拟，这些粒子在给定时间内的运动距离的统计分布为反应器内的浓度分布；粒子走完给定距离所需的时间统计分布模拟分离检测的信号；所述的步骤(2)中的参数化处理为归一化无量纲处理催化反应过程中各物理量的参数化，如反应速率和反应几率等物理量。所述的步骤(3)中反应物及产物在周期单元中的自由空间内随机运动，其运动速度遵循分布特征为Delta分布、Gaussian分布、Maxwell-Boltzmann分布和/或Cauchy-Lorentz分布。所述的步骤(6)中的驱动力为压力。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，通过量子化学方法计算确定催化反应的界面动力学问题，利用随机行走方法来解决化工过程中的传质问题，利用统计和概率分布法建立全过程模拟模型，并结合正交实验数据进行参数化，模拟多相催化反应。从而为开发新工艺，优化生产条件提供理论预测和指导。附图说明图1为本专利技术模拟了N2气体的随机行走轨迹图。图2为本专利技术模拟了N2气体在催化剂表面的碰撞点图。具体实施方式现结合实施例对本专利技术进行进一步说明，本专利技术将以工业催化合成氨气作为检验体系。模拟采用铁作为催化剂。使用扫描电镜观察铁催化剂表面，统计五个晶面Fe(111)、Fe(110)、Fe(100)、Fe(210)和Fe(211)在铁催化剂晶面中的比重。使用量子化学方法计算在Fe的五个晶面上氨合成反应的相对反应活性以及反应吉布斯自由能，并与实验对比。基于量子化学计算和实验结果对模拟程序参数化，并结合传质过程的随机行走方法处理，进而模拟整个化工反应过程。，具体步骤如下：(1)通过SEM观察铁催化剂形貌其基本形态为球形，平均粒径为0.8±02um。(2)通过TEM观察研究可以发现Fe(111)、Fe(110)和Fe(100)面占比分别约为68％、19％和12％。(3)利用Gaussian03，通过DFT计算得到，在798K和20个大气压下，N2和H2的比例为1∶3，Fe(111)面上氨气合成的活化能为14.9kcal/mol；Fe(110)面上氨气合成的活化能为8109kcal/mol；Fe(100)面上氨气合成的活化能为485kcal/mol。(4)模型建立，利用公式反应速率K0＝Aexp(-ΔG*/RT)；反应速度dc/dt＝K0[H2][N2]对上式进行归一化无量纲处理。指前因子A可以人为规定，根据已有的实践经验来设定。将代入上式，把三个主要催化面上的速度求出，(5)在程序中建立以球形为程序的势垒结构。气体分子的数量与浓度成正比，N2与H2的数量比大约为1∶3。在上述势垒中随机行走，吸附到催化剂表面时按设定的几率停留，另一种反应分子在停留期间位于R半径内停留即可能与之反应。反应物在Fe(111)，Fe(110)，Fe(100)表面上的反应几率大约为1496∶1∶16。(6)反应物粒子H2、N2和粒子产物NH3分别由驱动力引起的速度大小为20.0m/s、5.3m/s和15.5m/s，方向均与X轴相同，每步时间设为0.001s，模拟粒子走完10000步时的运动轨迹和得到的浓度分布，最终得到如图1所示的模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用扫描电镜观察催化剂表面情况，统计不同催化晶面的比重；使用量子化学方法模拟表面催化反应过程，得到反应物的结构和活化能，同时结合实验数据依据公式K0＝Aexp(‑ΔG*/RT)求出反应速率常数K0和指前因子A；(2)依据上述不同催化晶面的比重、反应速率常数K0和指前因子A，以及实验数据对催化过程进行参数化处理；(3)将化工反应器简化为具有周期结构的单元，单元中包含反应物及产物粒子可以自由运动的有边界空间，也包括粒子不可进入的催化剂势垒；(4)反应物粒子与催化剂势垒碰撞时，产生吸附现象，由Frenkel表达式t＝t0exp(Q/RT)确定待分离粒子在势垒壁上的停留时间，其中，Q为吸附能，R为气体常数，t0为垂直表面的振动时间，t为停留时间；(5)反应物粒子在催化剂上同时停留在一定范围内时，则会发生催化反应，通过步骤(1)中的不同催化晶面的比重和活化能参数得到其催化反应的几率和效率；(6)待反应物及产物粒子在随机运动的同时叠加一个方向与粒子流速方向一致的定向运动，其流动速率与粒子所受驱动力有关；(7)采用串行或并行的方式对多个粒子在反应器中的运动进行模拟，这些粒子在给定时间内的运动距离的统计分布为反应器内的浓度分布；粒子走完给定距离所需的时间统计分布模拟分离检测的信号。...

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟化工催化反应过程优化的结合统计分布的随机行走的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用扫描电镜观察催化剂表面情况，统计不同催化晶面的比重；使用量子化学方法模拟表面催化反应过程，得到反应物的结构和活化能，同时结合实验数据依据公式K0＝Aexp(-ΔG*/RT)求出反应速率常数K0和指前因子A；(2)依据上述不同催化晶面的比重、反应速率常数K0和指前因子A，以及实验数据对催化过程进行参数化处理；(3)将化工反应器简化为具有周期结构的单元，单元中包含反应物及产物粒子可以自由运动的有边界空间，也包括粒子不可进入的催化剂势垒；(4)反应物粒子与催化剂势垒碰撞时，产生吸附现象，由Frenkel表达式t＝t0exp(Q/RT)确定待分离粒子在势垒壁上的停留时间，其中，Q为吸附能，R为气体常数，t0为垂直表面的振动时间，t为停留时间；(5)反应物粒子在催化剂上同时停留在一定范围内时，则会发生催化反...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵健伟，程娜，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33