Novel acceleration methods and improved transition state finding approaches for the automatic exploration of reaction networks

• Entwicklung von Beschleunigungsmethoden und Übergangszustandssuchen für die automatische Explorierung von Reaktionsnetzwerken

Krep, Lukas; Leonhard, Kai (Thesis advisor); Heufer, Karl Alexander (Thesis advisor); Verstraelen, Toon (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur technischen Thermodynamik 40
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Reaktionsmodelle sind für viele Ingenieursaufgaben wichtig, wie z. B. für die Optimierung von Verbrennungsmotoren oder Produktionslinien in der chemischen Industrie. ChemTraYzer wurde entwickelt, um den oft zeitaufwändigen Prozess der Reaktionsmodellentwicklung zu automatisieren. ChemTraYzer verwendet reaktive Molekulardynamiksimulationen (rMDs), um die dem Reaktionsprozess zugrundeliegenden Reaktionen zu ermitteln. Durch Kopplung der rMDs mit quantenmechanischen Geometrieoptimierungen von Edukten, Produkten und Übergangszuständen(ÜZ) und der Übergangszustandstheorie kann ChemTraYzer kinetische und thermochemische Daten mit den häufig benötigten geringen Unsicherheiten erzeugen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit zwei Problemen der ChemTraYzer-Methode. Es werden zwei Beschleunigungstechniken für die rMDs entwickelt, pressure-accelerated Dynamics(pAD) und ChemTraYzer-Temperature-Accelerated Dynamics (CTY-TAD), um die Anwendbarkeit der rMDs auf langsame Reaktionsprozesse zu erweitern. Die Beschleunigungstechniken sind so konzipiert, dass sie mit minimalem Wissen über die Reaktionssysteme funktionieren, da sie für die Erkundung eines prinzipiell unbekannten Reaktionsraums gedacht sind. pAD ist eine Methodik, bei der erhöhte Drücke und Temperaturen für die Beschleunigung der Reaktionsprozesse in den rMDsso gewählt werden, dass das resultierende Reaktionsnetwerk möglichst wenig verzerrt wird. CTY-TAD baut auf pAD auf. CTY-TAD erlaubt höhere Simulationstemperaturen als pAD und ermöglicht hohe Boostfaktoren von bis zu 108, wie anhand einer Fallstudie gezeigt wird. Beide Methoden werden auf Fallstudien aus dem Bereich der Niedertemperaturzündung angewendet. Daneben wird eine Wiederherstellungsmethode für fehlgeschlagenen ÜZ-Suchen des ChemTraYzers beschrieben. Die Wiederherstellungsmethode verbessert die Erfolgsquote der ÜZ-Suchen um 10 Prozentpunkte auf insgesamt 48%. Die Arbeit schließt mit einer Demonstration der Praxistauglichkeit von ChemTraYzer für die Erkundung von Reaktionsräumen anhand von Bildungs- und Zersetzungstudien von chlorierten Dibenzofuranen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik [412110]