Ereignisbasierte Beschreibung chemischer Kinetiken durch Zustandswahrscheinlichkeit und Entropie

• Antragsteller: Dr. Markus Seifert
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507997100

Aktuelle Betrachtungen chemischer Reaktionsnetzwerke konzentrieren sich auf die zeitliche Änderung von Zustandsgrößen, z.B. Konzentrationen. Der Übergang von nano- auf makroskopische Systeme birgt dabei Herausforderungen, z.B. die realen vs. idealen Konzentrationsverhältnisse (pressure gap), das reale vs. ideale Fließverhalten von Substanzen (materials gap) und die Komplexität, Heterogenität und nicht-ideale Zusammensetzung realer Edukte, Katalysatoren und Reaktoren (complexity gap). Dazu unterscheiden sich die Zeitskalen molekularer und makroskopischer Prozesse, d.h. eine chronologische Beschreibung molekularer Ereignisse über makroskopische Systeme ist oft irreführend (time gap).Im Gegensatz zu aktuellen Single-Event Ansätzen für eine komplexe Oberflächen-Kinetik könnten chemische Reaktionen in stationär betriebenen Reaktorsystemen auch als Zustände mit Wahrscheinlichkeiten statt als Prozesse betrachtet werden. Aus Reaktionsnetzwerken werden so mehrdimensionale Zustandsvariablen, wodurch die Parameterzahl sinken kann. Das Projektziel ist daher die Implementierung einer Wahrscheinlichkeits-basierten Beschreibung der industriell relevanten Ethanoldehydratisierung (ED) und Ethanol-to-Olefins- (ETO) Reaktionsnetzwerke als Demonstration des Konzeptes.Bei geschickter Wahl der Basis-Ereignisse und Parameter (complexity gap) ergeben sich Vorteile: (i) eine Fokussierung auf das lokale Ereignisumfeld (kein materials / pressure gap), (ii) die Ersetzung der „Zeit“ durch ein physikalisch definierbares „Ereignis“ (kein time gap) und (iii) die Beschreibung der Kinetik durch eine endliche Anzahl Basisreaktionen. Darüber hinaus sind Reaktionswahrscheinlichkeiten sowie deren Setup-, thermisch und Transport-bedingte Streuung über Gibbs Theorien an eine Entropie gekoppelt, die als Streu-Marker dient.Das Arbeitsprogramm gliedert sich in die Charakterisierung kommerzieller Materialien (SAPO-34, ZSM-5), katalytische Tests, die Modellimplementierung und die Bewertung von Streuungen aus Prozesssteuerung (NA1), thermischer Fluktuation (NA2) und chemischer Reaktionsstatistik (NA3). Neben der Festkörperanalyse werden katalytische Tests in konti-Fahrweise mit GC-FID-, GC-TCD- und GC-MS-Analyse dazu verwendet, um Streuungen der Parametersteuerung (T, p, Verweilzeit) zu quantifizieren. Der Modellansatz wird an die ED- und ETO-Tests durch Matrixoperationen, numerische Integration und das Runge-Kutta-Verfahren angepasst. Trends von Reaktionswahrscheinlichkeiten und Streuungen (NA1+NA2+NA3) bei variierenden Prozessparametern werden danach mit qualitativen Struktur-Katalyse-Beziehungen verglichen, um gezielt Abhängigkeiten zwischen makroskop. Produktverteilungen und mikroskop. Reaktionen aufzuzeigen.Eine Quantifizierung der Streuung der erwarteten Produktverteilung gibt nicht nur der komplexen Kinetik einen thermodynamischen Rahmen, sondern unterstützt potenziell auch ökonomische Betrachtungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen