A catalytic microkinetic analysis software

在这里,我们将以合成氨反应为动力学模型,给出3种代表性的例子,包括单条件、一维和二维条件的模拟情况,其对应的输入文件分别如下(INPUT_1_single、INPUT_2_curve、INPUT_3_map),可以看到,我们可以以非常简单明了的输入参数,实现各种复杂催化反应微动力学模拟,结果自动分析及可视化,包括速率、覆盖度、可逆度、敏感度、反应级数、主路径分析及其反应势能图和流程图等。

5.1 输入及输出文件概览

软件运行的截图如下:

运行结束后,其对应的输出结果文件概览分别如下:

5.2 输出文件内容概览

下面主要以单条件计算结果的输出文件log1为例,文件中包含自动生成的覆盖度、可逆度、基元反应速率、稳态方程组表达式:

程序可以根据设置的参数,自动进行相应的热力学矫正和能垒处理,输出文件中包含了具体处理的方式、处理前后的数据等,供用户查看、使用或校验等:

根据基元反应、反应能量和反应条件所对应的稳定方程,采用时间积分法、机器学习、粒子群优化算法等自动结合高精度的基于可逆度迭代的改进牛顿法,求解反应达到稳态时的覆盖度及其对应的速率:

进一步可以求解反应能垒、中间体敏感度,并自动分析和提取反应决速步骤、关键中间体:

还可以求解反应的级数,并自动分析和提取主要反应物种:

在程序运行的过程中,程序将会实时更新运行的模块(包括生成、求解、分析和绘图等)、进度信息及其估计还需要的运行时间,比如:

5.3 输出图片概览

除此之外,运行结束后,在结果文件夹fig1下,还包含了模拟结果自动分析及可视化的结果,包括速率、覆盖度、可逆度、敏感度、反应级数、主路径分析及其反应势能图和流程图等。而且单条件、一维和二维条件不同的模拟情况下其结果的展示形式也不尽相同。

5.3.1 单条件的模拟情况示例

在Activity和Coverage文件夹下,分别给出了反应活性图和中间物种分布图等,如:

在Standard Free Gibbs Energy Profile和Flow Chart文件夹下,分别给出了反应势能面和反应流程图等,如:

在Degree of Rate Control文件夹下,给出了主要的反应能垒、中间体的敏感度和反应级数等,如:

5.3.2 一维条件的模拟情况示例

在Activity和Coverage文件夹下,分别给出了二维反应活性图和中间物种分布随一维能量描述符的变化图等,如:

在Reversibility文件下,给出了反应步骤可逆度随一维能量描述符的变化图等,如第2和第5反应步骤:

在Standard Free Gibbs Energy Profile和Flow Chart文件夹下,分别给出了反应势能面和流程图等,在给定三个描述符能量的情况对应如下:

在标准压力下,整个能量描述符范围的反应势能面如下图所示:

在Degree of Rate Control文件夹下,给出了主要的反应能垒、中间体的敏感度、反应级数、描述符E1的梯度随一维能量描述符变化的等高线图等,如:

在Prediction文件夹下,包含了覆盖度和活性的不同求解比例下的二维曲线预测结果,可以看到就算只有~10%的比例,已经可以给出很好的趋势和结果。

5.3.3 二维条件的模拟情况示例

在Activity和Coverage文件夹下,分别给出了三维反应活性图和中间物种分布随温度、压力二维条件的变化图等,如:

在Reversibility文件下,给出了反应步骤可逆度随温度、压力二维条件的变化图等,如:第2和第5反应步骤:

在Standard Free Gibbs Energy Profile和Flow Chart文件夹下,分别给出了反应势能面和流程图等,在给定三组温度和压力的情况对应如下:

在标准压力下,整个温度范围的反应势能面如下图所示:

在Degree of Rate Control文件夹下,给出了主要的反应能垒、反应级数、中间体的敏感度、描述符E1的梯度随温度、压力二维条件变化的等高线图等,如:

在Prediction文件夹下,包含了覆盖度和活性的不同求解比例下的三维曲面预测结果,可以看到需要>30%的比例,就可以给出很好的趋势和结果。