اتوکاتالیز مکعبی: بررسی مدل گری-اسکات

View Categories

اتوکاتالیز مکعبی: بررسی مدل گری-اسکات

14 min read

PDF

اتوکاتالیز مکعبی: بررسی مدل گری-اسکات
معرفی
یک واکنش اتوکاتالیستی طبق تعریف توسط محصول خود سرعت می‌گیرد. تأثیر محصول بر سرعت واکنش معمولاً به این معنی است که واکنش مرتبه بالاتر و بنابراین غیر خطی است. برای واکنش مدل غیرخطی ساده A + B  2B، گفته می شود که اتوکاتالیز درجه دوم است، یا یک مرتبه واکنش دوم کلی دارد، زیرا به دو غلظت، یعنی غلظت A و B بستگی دارد. در این مدل، حتی بیشتر حالت مکعبی غیرخطی A + 2B 3B مطالعه شده است. این واکنش مدل، در تنظیم یک راکتور مخزن به طور مداوم هم زده، موضوع یک سری مقالات در دهه هشتاد توسط نویسندگان گری و اسکات بود و نام آنها به واکنش چسبیده بود. نویسندگان دریافتند که این سیستم به‌رغم فشرده بودن، مجموعه‌ای از رفتارهای غافلگیرکننده از خود نشان می‌دهد. علاوه بر این، اگر به صورت فضایی با مشارکت‌های واکنش و انتشار رقیب مدل‌سازی شود، یک تکامل مسحورکننده از به اصطلاح الگوهای تورینگ، که به نام ریاضیدان مشهور بریتانیایی نامگذاری شده است، رخ می‌دهد.
تعریف مدل
مقالات Ref. 1 و رفر. 2 ، توسط گری و اسکات، دریافتند که یک شبکه واکنش شیمیایی بسیار ساده که از یک تبدیل خودکار یک ماده و یک فروپاشی رقابتی محصول تشکیل شده است، در یک راکتور مخزن به هم زدن پیوسته (CSTR) چندپایداری را نشان می‌دهد:
(1)
(2)
این سیستم نه تنها چندپایداری را نشان می دهد، بلکه تحت شرایط خاصی، ممکن است سیستم نوسانی شود. در انتقال بحرانی بین دو حالت پایدار متمایز، سیستم‌ها نسبت به اغتشاشات کوچک در مقادیر پارامتر بسیار حساس هستند.
درمان همگن
به عنوان اولین گام، سیستم واکنش در یک جزء 0D مورد مطالعه قرار می‌گیرد، یک منبع خارجی برای نمایش جریان پیوسته در CSTR ارائه می‌شود. حساسیت با یک جاروی پارامتر نشان داده می شود، که در آن ضریب سرعت اولین واکنش در مراحل کوچک تغییر می کند و به دنبال آن نتایج مربوطه ترسیم می شود. پارامترهای مورد استفاده در جدول 1 ارائه شده است .
جدول 1: پارامترهای مورد استفاده در مولفه 0D.
نام
ارزش
ک
0.0602/s–0.0603/s
f
0.06/s
پارامتر k در بین 10 مقدار مساوی جابجا می شود تا چندپایداری سیستم را برجسته کند.
مدل ناهمگن
یک جزء دوبعدی که مربعی با شرایط مرزی تناوبی را توصیف می‌کند بر اساس رابط مهندسی واکنش تولید می‌شود. شناخته شده است (رجوع کنید به شماره 3 ) که برای یک سیستم واکنش خطی از نوع فعال کننده / بازدارنده، ناپایداری در سیستم های واکنش- انتشار تنها زمانی می تواند ایجاد شود که ضریب انتشار (تقسیم بر تعدد استوکیومتری آن) فعال کننده کمتر از مقدار مربوطه باشد. از بازدارنده با الهام از این واقعیت برای سیستم های خطی، به ماده A ضریب انتشار دو برابر B داده می شود ( جدول 2 را ببینید ).
جدول 2: پارامترهای مورد استفاده در مولفه دو بعدی.
نام
ارزش
و
2•10 -5 متر مربع در ثانیه
DB
1•10 -5 متر مربع در ثانیه
این غلظت اولیه از نقوش ارائه شده در Ref. 5 . لازم به ذکر است که تنظیمات دقیق شرایط اولیه برای نمایش ویژگی هایی مانند جبهه موج های متحرک توسط سیستم مورد نیاز است. پارامترهای k در هر دو مورد جارو می‌شوند و نتایج به ترتیب در طرح‌های خطی و انیمیشن‌ها با هم مقایسه می‌شوند.
نتایج و بحث
نتایج حاصل از مطالعه وابسته به زمان برای مولفه 0D در شکل 1 نشان داده شده است .
شکل 1: تکامل زمانی غلظت A و B در مدل CSTR برای 10 مقدار مختلف k. رنگ افسانه k – 0.0601/s را کد می کند.
توجه داشته باشید که چگونه پنج مقدار پایین k باعث نوسانات انتقالی به یک حالت ثابت می شود که در آن هر دو A و B با هم وجود دارند. در حالی که پنج مقدار بالاتر k منجر به انقراض می شود.
حالت دوبعدی برخی از الگوهای تورینگ دیدنی را برای بالاترین مقدار k ایجاد می کند (نگاه کنید به مرجع 4 ) . انتهای دستورالعمل های مدل سازی در مورد نحوه استفاده از پخش کننده انیمیشن در COMSOL Multiphysics برای مشاهده تکامل زمانی این الگوها را بررسی کنید. کاملا ارزش تلاش دارد.
حالت پایانی برای اجرای با بالاترین مقدار k در شکل 2 نشان داده شده است .
شکل 2: حالت نهایی غلظت A (چپ) و B (راست) برای k = 0.06011.
منابع
1. P. Gray و SK Scott، “واکنش‌های خودکاتالیستی در راکتور مخزن هم‌زمان پیوسته همدما، ایزولاها و سایر اشکال چندپایداری،” Chemical Engineering Science ، جلد. 38، صفحات 29-43، 1983.
2. P. Gray و SK Scott، “واکنش های خودکاتالیستی در راکتور مخزن همدما پیوسته همدما، نوسانات و ناپایداری ها در سیستم A + 2B=>3B; B=>C، ” علوم مهندسی شیمی ، جلد. 39، صص 1087-1097، 1984.
3. MC Cross و PC Hohenberg، “تشکیل الگوی خارج از تعادل،” Rev. Mod. فیزیک ، جلد 65، صص 851-1112، 1993.
4. AM Turing، “مبنای شیمیایی مورفوژنز”، فیل. ترانس. R. Soc. لندن. ب ، جلد. 237، صفحات 37-72، 1952.
5. RP Munafo، «الگوهای متحرک موضعی پایدار در مدل 2-D Gray-Scott»، ​​arXiv:1501.01990 [nlin.PS] ، 2014.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مهندسی_واکنش_شیمیایی/رآکتورهای_مخزن_ایده‌آل/خودکار_مکعبی
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard روی  0D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، Chemical  Species  Transport>Reaction  Engineering  (re) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
 روی مطالعه کلیک کنید .
5
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Time  Dependent را انتخاب کنید .
6
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
 روی Load  from  File کلیک کنید .
4
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cubic_autocatalysis_parameters.txt دوبار کلیک کنید .
مهندسی واکنش (دوباره)
واکنش 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Reaction  Engineering  (re) کلیک راست کرده و Reaction را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction  Formula را پیدا کنید .
3
در قسمت متن فرمول ، A+2B=>3B را تایپ کنید .
گونه: B
1
در پنجره Model  Builder ، روی Species:  B کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی  را پیدا کنید .
3
تیک گزینه Enable  formula را پاک کنید .
واکنش 2
1
در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction  Formula را پیدا کنید .
3
در قسمت متن فرمول ، B=>0B را تایپ کنید .
4
قسمت Rate  Constants را پیدا کنید . در قسمت متن f ، f+k را تایپ کنید .
واکنش 3
1
در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Reaction کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Reaction ، بخش Reaction  Formula را پیدا کنید .
3
در قسمت متن فرمول ، A=>0A را تایپ کنید .
4
قسمت Rate  Constants را پیدا کنید . در قسمت متن f ، f را تایپ کنید .
منبع اضافی 1
1
در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Additional  Source کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای منبع اضافی  ، قسمت Additional Rate Expression را پیدا کنید .
3
در جدول گونه های حجمی ، تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
گونه ها
بیان نرخ اضافی (MOL/(M^3*S))
آ
f
مقادیر اولیه 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی مقادیر اولیه  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه  ، قسمت مقادیر اولیه گونه های حجمی را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
گونه ها
غلظت (MOL/M^3)
ب
1
مطالعه 1
جاروی پارامتریک
1
در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر  Sweep کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری  ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
3
 روی افزودن کلیک کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام پارامتر
لیست مقادیر پارامتر
واحد پارامتر
k (نرخ ثابت)
محدوده (0.0602، 1e-5، 0.0603)
1/s
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، روی Step  1:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی زمان خروجی ،  range(0,5,500) را تایپ کنید .
4
در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
تمرکز (دوباره)
1
در پنجره Model  Builder ، گره Results>Concentration  (re) را گسترش دهید ، سپس روی Concentration  (re) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی  ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید .
3
از لیست نوع عنوان  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
بیان رنگ 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Global  1 کلیک راست کرده و Color  Expression را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Color  Expression ، بخش Expression را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Expression ، k-0.0602 را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Linear>Viridis را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در پنجره تنظیمات برای بیان رنگ  ، قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .
8
از لیست تبدیل جدول رنگ  ، Reverse را انتخاب کنید .
جهانی 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Global  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش x-Axis  Data را پیدا کنید .
3
از فهرست داده های منبع محور  ، زمان را انتخاب کنید .
4
قسمت y-Axis  Data را پیدا کنید .  روی پاک کردن  جدول کلیک کنید .
5
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
اصطلاح
واحد
شرح
re.c_A
mol/m^3
تمرکز
6
برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show  legends را پاک کنید .
جهانی 2
1
روی Results>Concentration  (re)>Global  کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis  Data را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
اصطلاح
واحد
شرح
re.c_B
mol/m^3
تمرکز
4
برای گسترش بخش Coloring  and  Style کلیک کنید . زیربخش Line  style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dash-dot را انتخاب کنید .
بیان رنگ 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Global  2 را گسترش دهید ، سپس روی Color  Expression  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای بیان رنگ  ، قسمت Coloring and Style را پیدا کنید .
3
تیک Color  legend را پاک کنید .
حاشیه نویسی 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Concentration  (re) کلیک راست کرده و Annotation را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای حاشیه نویسی ، بخش موقعیت را بیابید .
3
در قسمت متن x ، 150 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن y ، 0.6 را تایپ کنید .
5
قسمت Annotation را پیدا کنید . در قسمت Text text، خطوط جامد را تایپ کنید: [A] .
حاشیه نویسی 2
1
روی Annotation  کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای حاشیه نویسی ، بخش حاشیه نویسی را پیدا کنید .
3
در قسمت Text ، خطوط چین دار را تایپ کنید: [B] .
4
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، 0.2 را تایپ کنید .
5
در نوار ابزار Concentration (re) روی  Plot کلیک کنید .
این شکل 1 است .
مهندسی واکنش (دوباره)
مدل 1 وابسته به فضا را ایجاد کنید
1
در نوار ابزار Reaction Engineering ، روی  Generate  Space-Dependent  Model کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Generate  Space-Dependent  Model ، قسمت Component  Settings را پیدا کنید .
3
از لیست Component  to  use ، 2D:  New را انتخاب کنید .
4
قسمت Study  Type را پیدا کنید . از لیست نوع مطالعه  ، وابسته به زمان را انتخاب کنید .
5
بخش Space-Dependent  Model  Generation را پیدا کنید . روی Create/Refresh کلیک کنید .
تعاریف (COMP2)
متغیرهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Component   (comp2) را گسترش دهید .
2
روی Component   (comp2)>Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید .
3
در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید .
4
 روی Load  from  File کلیک کنید .
5
به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cubic_autocatalysis_variables.txt دوبار کلیک کنید .
هندسه 1 (2 بعدی)
مربع 1 (مربع 1)
1
در پنجره Model  Builder ، گره Component   (comp2) را گسترش دهید .
2
روی Component   (comp2)>Geometry  1 (2D) کلیک راست کرده و مربع را انتخاب کنید .
3
در پنجره تنظیمات مربع ، بخش Size را پیدا کنید .
4
در قسمت متن Side  length ، 2*l را تایپ کنید .
5
قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، -l/2 را تایپ کنید .
6
در قسمت متن y ، -l/2 را تایپ کنید .
شیمی 1 (شیمی)
1
در پنجره Model  Builder ، گره Component   (comp2)> Chemistry   (chem) را گسترش دهید ، سپس روی Chemistry   (chem) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای شیمی ، روی قسمت Calculate  Transport  Properties کلیک کنید .
3
کادر تیک محاسبه  خواص مخلوط را  پاک کنید .
گونه: B
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp2)> Chemistry   (chem) روی Species:  B کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گونه ها ، بخش فرمول شیمیایی  را پیدا کنید .
3
تیک گزینه Enable  formula را پاک کنید .
حمل و نقل گونه های رقیق شده (TDS)
مقادیر اولیه 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Component   (comp2)>Transport  of  Diluted  Species  (tds) را گسترش دهید ، سپس روی مقادیر اولیه  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه  ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید .
3
در قسمت متن cA ، cA0 را تایپ کنید .
4
در قسمت متن cB ، cB0 را تایپ کنید .
شرایط دوره ای 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic  Condition را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 2 و 3 را انتخاب کنید.
شرایط دوره ای 2
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Periodic  Condition را انتخاب کنید .
2
فقط مرزهای 1 و 4 را انتخاب کنید.
ویژگی های حمل و نقل 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Transport  Properties  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ویژگی های حمل و نقل  ، بخش Diffusion را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی cA ، DA را تایپ کنید .
4
در قسمت متن cB ، DB را تایپ کنید .
مش 1
نقشه برداری 1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Mapped کلیک کنید .
توزیع 1
1
روی Mapped  کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی Number  of  element ، 200 را تایپ کنید .
4
قسمت انتخاب مرز  را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید .
5
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
مطالعه 2
جاروی پارامتریک
1
در نوار ابزار مطالعه ، روی  پارامتر  Sweep کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جابجایی پارامتری  ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید .
3
 روی افزودن کلیک کنید .
4
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام پارامتر
لیست مقادیر پارامتر
واحد پارامتر
k (نرخ ثابت)
0.0609 0.06105 0.0611
1/s
5
در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show  Default  Plots کلیک کنید .
نتایج
ساده 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Concentration,   (tds) را گسترش دهید .
2
روی Results>Concentration،   (tds)> Streamline  کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید .
غلظت، B (tds)
در پنجره Model  Builder ، روی Concentration،   (tds) کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید .
تمرکز، A (tds)
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش Results روی Concentration،   (tds) کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 2D  Plot  Group ، برای گسترش بخش Plot  Array کلیک کنید .
3
تیک گزینه Enable را انتخاب کنید .
4
از لیست شکل آرایه  ، مربع را انتخاب کنید .
cA
1
در پنجره Model  Builder ، در Results>Concentration،   (tds) روی Surface  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، cA را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
برای گسترش بخش Plot  Array کلیک کنید . چک باکس Manual  indexing را انتخاب کنید .
4
در قسمت متن فهرست ستون ،  1 را تایپ کنید .
بیان قد 1
1
روی cA کلیک راست کرده و Height  Expression را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای بیان ارتفاع  ، بخش Axis را پیدا کنید .
3
چک باکس Scale  factor را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 1.0 را تایپ کنید .
cA
1
در پنجره Model  Builder ، روی cA کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Coloring  and  Style را پیدا کنید .
3
 روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
4
در کادر محاوره ای Color  Table ، Linear>Cividis را در درخت انتخاب کنید.
5
روی OK کلیک کنید .
cB
1
روی cA کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، cB را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید .
3
قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Expression text، cB را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Linear>Viridis را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Plot  Array را پیدا کنید .
8
در قسمت متن فهرست ستون ،  0 را تایپ کنید .
مطالعه 2
مرحله 1: وابسته به زمان
1
در پنجره Model  Builder ، در زیر مطالعه  2 ، روی Step  1:  Time  Dependent کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات مربوط به زمان  وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه  را پیدا کنید .
3
در قسمت متنی بار خروجی  ، محدوده (0, 1, 10-1) range(10, 10, 300-10) range(300, 100, 1000-100) range(1e3, 1e3, 2e4-1e3) را تایپ کنید محدوده 2e4، 2.5e3، 5e4-2.5e3) محدوده (5e4، 1e4، 1e5-1e4) محدوده (1e5، 2.5e4، 6e5) .
4
از لیست Tolerance ، User  controlled را انتخاب کنید .
5
در قسمت متنی Relative  tolerance ، 0.001 را تایپ کنید .
6
برای گسترش بخش Results  while  Solving کلیک کنید . کادر Plot را انتخاب کنید .
7
از لیست گروه Plot  ، تمرکز، (tds) را انتخاب کنید .
8
در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
تمرکز، A (tds)
1
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دوبعدی  ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید .
2
از لیست نوع عنوان  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
3
قسمت Color  Legend را پیدا کنید . تیک Show  units را انتخاب کنید .
4
از لیست موقعیت ، گزینه Alternating را انتخاب کنید .
انیمیشن 1
1
در نوار ابزار Concentration, A (tds) ، روی  انیمیشن کلیک کنید و Player را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای انیمیشن ، بخش Frames را پیدا کنید .
3
از فهرست انتخاب فریم  ، همه را انتخاب کنید .
4
 روی دکمه Play در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
این شکل 2 است . انیمیشن را تغییر دهید تا تکامل زمانی مربوط به مقدار متوسط ​​k را نشان دهد.
5
قسمت ویرایش انیمیشن  را پیدا کنید . از لیست مقدار پارامتر (k (1/s)) ، 0.06105 را انتخاب کنید .
6
 روی دکمه Play در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .