מודל קינטיקה כימית חיזויי

מודל קינטיקה כימית חיזויי (Predictive Chemical Kinetic Model) הוא סוג של מודל חיזוי המתמקד בניבוי קצב ושינויים בהרכב כימי של מערכת לאורך זמן, בהתבסס על עקרונות קינטיקה כימית. מודלים אלו משמשים בתחומים כמו כימיה, הנדסה כימית, בעירה ותעשיית התרופות, במטרה לנתח ולחזות את ההתנהגות הדינמית של תגובות כימיות תחת תנאים שונים.

מודלים קינטיים חיזויים מבוססים על משוואת קצב המתארות את מהירות התגובה הכימית כתלות בגורמים כמו ריכוזי המגיבים, טמפרטורה, לחץ ואנרגיית שפעול. במקרים רבים נעשה שימוש במשוואות דיפרנציאליות המתארות את קצב השינוי של חומרים שונים במערכת. המודלים יכולים להיות מבוססים על מנגנוני תגובה מפורטים, הכוללים את כל השלבים הבודדים בתגובה, או על גישות מקורבות ופנומנולוגיות המתארות את התהליך באופן כללי יותר.

מודלים קינטיים חיזויים מהווים כלי מרכזי בהנדסה כימית ותכנון תהליכים תעשייתיים, שם הם משמשים להערכת קצב תגובות כימיות ולבקרה על תנאי הפעלה במתקנים כימיים. הם מאפשרים לדמות תהליכים כמו סינתזה כימית, פולימריזציה, וזיקוק נפט, ולבצע אופטימיזציה של תהליכים תעשייתיים תוך צמצום עלויות ושיפור הבטיחות.

בתחום הבעירה, למשל, מודלים קינטיים חיזויים משמשים להבנת התהליכים הכימיים המתרחשים בעת שריפת דלקים. הם מאפשרים לחזות את היווצרותם של תוצרי בעירה, לרבות מזהמים כמו תחמוצות חנקן (NOₓ) וחלקיקים זעירים (PM), ולשפר את יעילות הבעירה במנועים ובמערכות אנרגיה.

 תוכנות ושיטות עבודה למידול תגובות כימיות 
קיימות מספר תוכנות מתקדמות למידול תגובות כימיות, כאשר כל אחת מתמקדת בהיבטים שונים של החיזוי. להלן כמה מהתוכנות המרכזיות והשיטות בהן הן פועלות:

 CHEMKIN 
CHEMKIN היא אחת מהתוכנות הנפוצות ביותר למידול קינטיקה כימית, בעיקר בתעשיות הבעירה והכימיה ההנדסית. היא מאפשרת לבנות מודלים מבוססי מנגנון, לפתור משוואות קינטיות ולבצע סימולציות של תגובות כימיות וגזיות.
 תומכת בתגובות חד-ממדיות, דו-ממדיות ותהליכי זרימה.
 מכילה מאגר גדול של מנגנונים כימיים קיימים.
 מאפשרת חישובי שיווי משקל תרמודינמי ושיעורי תגובה.
שימושים: חקר בעירה וניהול תגובות כימיות בתעשייה.

 Cantera 
Cantera היא ספריית קוד פתוח למידול תהליכים כימיים ותרמודינמיים. היא מאפשרת פתרון משוואות קינטיות מורכבות, ביצוע חישובי תרמודינמיקה וסימולציה של תגובות כימיות בגזים, נוזלים ומשטחים מוצקים.
 תומכת בשפות תכנות כגון Python, C++ ו-MATLAB.
 מאפשרת חישובי זרימה עם תגובות כימיות.
 גמישה וניתנת לשימוש במודלים מותאמים אישית.
שימושים: חקר תגובות קינטיות במערכות גזיות, סימולציות בעירה וחישובי פיצוץ.

 OpenFOAM (ReactingFOAM) 
OpenFOAM היא פלטפורמת קוד פתוח לחישובים נומריים של דינמיקת זורמים (CFD), הכוללת ניתוח תגובות כימיות במערכות זרימה – לדוגמה, בערה במנועים ומערכות חום.
 מאפשר חישוב תגובות כימיות במערכת זרימה.
 גמיש ומאפשר כתיבת קוד מותאם אישית.
 משמש בעיקר למחקר ופיתוח במכניקת נוזלים ותרמודינמיקה.
שימושים: חקר תגובות בעירה במנועים ומבערים, ניתוח השפעת זרימה על קצב תגובה ופיתוח טכנולוגיות להפחתת פליטות מזהמות.

 COPASI (Complex Pathway Simulator) 
COPASI היא תוכנה לחקר מערכות ביוכימיות וקינטיקה של תגובות ברשתות כימיות, המבוססת על פתרון משוואות דיפרנציאליות רגילות (ODEs) ומאפשרת ביצוע אופטימיזציה של מודלים.
 תומכת בניתוח תגובות בתאים ביולוגיים.
 מאפשרת ביצוע סימולציות דטרמיניסטיות וסטוכסטיות.
 כוללת כלי התאמה לנתונים ניסיוניים.
שימושים: חקר מסלולים מטבוליים וביוכימיים, חיזוי תגובות כימיות ברמות תאיות, וניתוח מערכות ריאקציה-דיפרוזיה.

 RMG (Reaction Mechanism Generator) 
RMG (Reaction Mechanism Generator) היא תוכנה אוטומטית ליצירת מנגנוני תגובה כימיים, המתאימה במיוחד למערכות גדולות שבהן קשה להגדיר באופן ידני את כל השלבים הכימיים.
 יוצרת מנגנוני תגובה חדשים על בסיס אלגוריתמים מתקדמים.
 מבוססת על Python ומשלבת כלי חישוב נוספים.
 מאפשרת ניתוח תגובות בתחומים כמו בעירה וכימיה אטמוספירית.
שימושים: יצירת מנגנוני תגובה מפורטים לתהליכי בערה, חיזוי תגובות בסביבות משתנות, וניתוח מנגנוני תגובה בתעשייה הכימית.

 RMS (Reaction Modeling System) 
RMS (Reaction Modeling System) היא תוכנה למידול קינטיקה כימית, המשמשת לחיזוי תגובות כימיות ואופטימיזציה של תהליכים בתעשייה ובמחקר.
 תומכת במודלים כימיים מתקדמים ואינטגרציה עם מאגרי נתונים.
 מאפשרת ניתוח ותכנון תהליכים בתעשיית הנדסה כימית.
 משמשת לחיזוי וניתוח תגובות כימיות בסביבות משתנות.
שימושים: חיזוי תגובות כימיות, אופטימיזציה של תהליכים, וניתוח מערכות תגובה מורכבות.

 CHEMICAL WORKBENCH 
CHEMICAL WORKBENCH היא תוכנה מתקדמת למידול תגובות כימיות, המתמקדת ביצירת סביבות סימולציה לניתוח תגובות, חישובי תרמודינמיקה וקינטיקה ועיצוב תהליכים כימיים.
 כוללת מודולים לניתוח תרמודינמי וכימי.
 מאפשרת חישובי קצב תגובה והתנהגות מערכות.
 מיועדת לשימוש במחקר ופיתוח בתעשיית הכימיה.
שימושים: תכנון תהליכים כימיים, סימולציות ניסיוניות וחיזוי תגובות בתהליכי יצור.

 COMSOL Multiphysics 
קומסול מולטיפיזיקס היא פלטפורמת סימולציה רב-פיזיקלית, המשמשת למידול תהליכים הכוללים אינטראקציות בין תחומים שונים, כולל תגובות כימיות.
 תומכת בסימולציות רב-פיזיקליות, כולל חישובי זרימה, תרמודינמיקה וחשמל.
 מאפשרת קישור בין מודלים חישוביים ממגוון תחומים.
 מיועדת לשימוש במחקר ופיתוח מוצרים טכנולוגיים והנדסיים.
שימושים: חיזוי תגובות כימיות בסביבות מורכבות, אופטימיזציה של תהליכים רב-פיזיקליים, ותכנון מערכות הנדסיות מורכבות.

 השוואה בין התכונות השונות 
 תוכנה סוג מידול שימושים עיקריים התאמה לזרימה התאמה לבעירה התאמה לכימיה חישובית מסחרית / קוד פתוח CHEMKIN  קינטיקה כימית  תגובות גזיות, בעירה  כן  כן  לא  מסחרית Cantera  קינטיקה ותרמודינמיקה  תגובות גזיות, חישובי זרימה  כן  כן  לא  קוד פתוח OpenFOAM  זרימה עם תגובות כימיות  CFD, בעירה, מנועים  כן  כן  לא  קוד פתוח COPASI  קינטיקה ביוכימית  תגובות אנזימטיות, מסלולים מטבוליים  לא  לא  חלקית  קוד פתוח RMG (Reaction Mechanism Generator)  יצירת מנגנוני תגובה  חיזוי תגובות כימיות, כימיה אטמוספירית  לא  כן  לא  קוד פתוח RMS (Reaction Modeling System)  קינטיקה כימית  חיזוי תגובות, אופטימיזציה של תהליכים  לא  כן  כן  מסחרית CHEMICAL WORKBENCH  תרמודינמיקה וקינטיקה  תכנון תהליכים כימיים, סימולציות ניסיוניות  כן  כן  כן  מסחרית COMSOL Multiphysics  רב-פיזיקלית  חיזוי תגובות בסביבות מורכבות, אופטימיזציה ותכנון מערכות  כן  כן  כן  מסחרית
 הערות שוליים 

קטגוריה:קינטיקה כימית