Name: ethylene to ethane catalyst kinetics
Uploaded: 2023-04-30T07:01:20.000Z
Duration: 8 min 56 s
Channel: JoVE

يتم التحكم في النظام من خلال نظام تحكم موزع تجاري؛ لا يوجد سوى واجهة مشغل واحدة.
1. بدء تشغيل المفاعل
<ol>
	<li>لبدء عرض محفوظات العمليات في الوقت الفعلي، انتقل إلى بدء > طريقة عرض مشغل > DeltaV > Process History، ثم افتح CATUnitOverview. يمكن ضغط مقاييس المخطط أو توسيعها بالنقر فوق هذه الأزرار في شريط القائمة. تتوفر إجراءات تنزيل البيانات من نظام التحكم إلى جدول بيانات Excel على الكمبيوتر.</li>
	<li>تأكد من أن الهواء المؤدي إلى الحمام الرملي قيد التشغيل. يجب أن يقرأ مقياس الدوران ≈5 أو أعلى وأن يظل ثابتا من التشغيل إلى الجري لتوفير تسخين ثابت.</li>
	<li>قم بتمكين الطاقة الرئيسية لسخان الحمام الرملي عن طريق الضغط على زر START باللون الأسود على لوحة لوحة وحدة CAT.</li>
	<li>اضبط وحدة التحكم في درجة الحرارة (TIC-10 ، للحمام الرملي) على نقطة الضبط الأولية المطلوبة ، والوضع على AUTO. لاستخدام التسخين السريع في بداية التجربة ، راجع الملحق أ.</li>
	<li>يمكن مراقبة درجات الحرارة على الرسم البياني. يجب فحص معدل تدفق النفايات السائلة للمفاعل بشكل دوري. إذا تطورت مشاكل، مثل فقدان التدفق أو درجة الحرارة الجامحة، فقم بإيقاف تشغيل كل من التدفقات المتفاعلة باستخدام صمامات الإغلاق المناسبة وإيقاف تشغيل جميع السخانات. اترك هواء حمام الرمل مفتوحا.</li>
</ol>
2. تعيين معدلات التدفق
 اضبط معدلات التدفق قبل التسخين. سيتم توفير معايرة لجهازي التحكم في التدفق - FIC-301 لخليط الهيدروجين والنيتروجين و FIC-302 للإيثيلين.
<ol>
	<li>قم بتعيين القيمة الرقمية على الواجهة التي تحدد ما إذا كان سيتم استخدام الكمبيوتر أو لوحة اللوحة إلى 1 للإشارة إلى استخدام الكمبيوتر.</li>
	<li>حظر بند عينة GC.</li>
	<li>حدد معدل التدفق الحجمي عن طريق توقيت معدل ارتفاع فقاعة واحدة بين حجمين في مقياس فقاعة. مقياس الفقاعات عبارة عن سحاحة زجاجية بأحجام متدرجة. تأكد من حظر خط عينة GC عند استخدام مقياس الفقاعات بنشاط لقياس التدفق (المعايرة، التحقق من معدل تدفق الخروج).</li>
	<li>خذ عينة واحدة على الأقل من العلف من خلال الممر الجانبي (عينة فارغة) للتحقق من تكوينها. لا بأس في تغيير معدلات التدفق أثناء التنقل دون تجاوز المفاعل. يؤدي تغيير معدلات التدفق أيضا إلى تغيير التركيزات النسبية للتغذية (يكون الضغط ثابتا) ، لذلك يجب تغيير معدلات التدفق كثيرا.</li>
	<li>قم بإلغاء حظر خط عينة GC وتدفق المواد المتفاعلة عبر تجاوز المفاعل وإلى منفذ مدخل GC.</li>
	<li>استخدم كروماتوجراف الغاز لتحليل تركيبة منتج الغاز. وترد في التذييل باء تعليمات إضافية حول كيفية تشغيل الهيكل الإضافي وتحديد التكوين.</li>
</ol>
3. إغلاق المفاعل
<ol>
	<li>قم بإيقاف تشغيل الطاقة الرئيسية لسخان حمام الرمل عن طريق دفع EMERG الأحمر. زر STOP على لوحة لوحة وحدة CAT.</li>
	<li>ضع TIC-10 في وضع MAN واضبط الإخراج على 0٪. اضبط الطاقة الإضافية (إذا كانت قيد التشغيل) على 0٪.</li>
	<li>اضبط تدفق الإيثيلين على 0٪ عن طريق وضع وحدة التحكم في MAN وضبط الإخراج على 0٪.</li>
	<li>أغلق كل من صمامات كتلة الإيثيلين قبل نقطة الإنطلاق وقم بإغلاق صمام أسطوانة الغاز الرئيسي.</li>
	<li>دع الهيدروجين / النيتروجين يتدفق لمدة ~ 2 دقيقة قبل إيقاف التشغيل ؛ سيؤدي ذلك إلى إطالة عمر المحفز.</li>
	<li>قم بسد كلا الصمامين قبل نقطة الإنطلاق الخلط. ثم أغلق الصمام الرئيسي لخليط الهيدروجين / النيتروجين.</li>
	<li>اترك الهواء في الطبقة المميعة.</li>
</ol>
<div class = "chapter_text" id = "script_0" > المحفزات هي مواد تضاف إلى أنظمة التفاعل لزيادة معدل التفاعل. نظرا لعدم استهلاك المحفزات في التفاعل ، يتم استخدامها في العديد من العمليات على نطاق صناعي. تزيد المحفزات من معدل التفاعل من خلال توفير مسار ميكانيكي بديل بطاقة تنشيط أقل ، وهو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لاستمرار التفاعل. يمكن أن تكون التفاعلات التحفيزية إما متجانسة ، مما يعني أن المحفز والمواد المتفاعلة في نفس المرحلة ، أو غير متجانسة ، مما يعني أن المحفز والمواد المتفاعلة في مراحل مختلفة. عادة ما تكون المحفزات غير المتجانسة عبارة عن كيانات صلبة على نطاق نانوي مشتتة على مادة داعمة. يبدأ التفاعل التحفيزي بامتصاص المواد المتفاعلة إلى الموقع النشط على سطح الجسيمات النانوية ، متبوعا بالتفاعل ، ثم امتصاص المنتجات. تعتبر المفاعلات التي تستخدم محفزات غير متجانسة أساسية للعديد من العمليات على نطاق صناعي ، مثل إنتاج الوقود الهيدروكربوني. يوضح هذا الفيديو مبادئ المحفزات غير المتجانسة والمفاعلات الحفازة ، ويوضح عملية هدرجة الإيثيلين المحفزة على نطاق تجريبي ، ويناقش بعض التطبيقات.</div><div class = "chapter_text" id = "script_1">المحفزات غير المتجانسة الأكثر شيوعا لتفاعلات الطور الغازي هي البلورات النانوية المعدنية الانتقالية. غالبا ما تعمل بواسطة آلية Langmuir-Hinshelwood. تبدأ هذه الآلية الافتراضية بامتاصة المواد المتفاعلة على سطح المحفز ، مما يؤدي إلى إلغاء تحديد موقع إلكترونات الترابط الخاصة بها في المدارات الفارغة لذرات المعدن الانتقالي وغالبا ما تنفصل في هذه العملية. قد تتبع عدة خطوات وسيطة ، لكن الآلية تختتم بتفاعل أولي جزيئي حيوي يشكل المنتجات التي تمتص بعد ذلك من سطح المحفز. يعتمد معدل التفاعل الكلي على معدل أبطأ خطوة أولية ، والتي يمكن التعبير عنها من حيث ثوابت التوازن للخطوات الأولية الأخرى. الأهم من ذلك أن المعدل يعتمد على توافر الموقع التفاعلي التحفيزي ، ويتم تصنيع المحفزات ودعمها لزيادة مساحة السطح. الآن بعد أن عرفت كيف يعمل المحفز على المستوى الذري ، دعنا نرى كيف يتم استخدامه في إعداد مفاعل تجريبي.</div><div class = "chapter_text" id = "script_2">بالنسبة لهذا التفاعل ، نستخدم مفاعل تدفق سدادة أنبوبي يتم فيه إضافة المواد المتفاعلة باستمرار وسحب المنتجات باستمرار. المفاعل عبارة عن أنبوب فولاذي معبأ بمحفز ، وهو موجود في حمام رملي يتم التحكم في درجة حرارته كهربائيا. يتم توصيل المواد المتفاعلة إلى نقطة الإنطلاق بضغط ثابت قبل دخول المفاعل. قد يتم تنفيس النفايات السائلة للمفاعل أو إدخالها في كروماتوجراف الغاز لتحليلها. تتم مراقبة معدلات التدفق باستخدام عدادات الفقاعات ومقاييس الدوران. من أجل السلامة ، يتم تثبيت المواد المتفاعلة المخففة ، وصمامات تخفيف الضغط العالي ، وأنظمة الإغلاق في درجات الحرارة العالية ، وأنظمة الالتفافية والتنفيس ، وكاشف تسرب الغاز القابل للاحتراق. تم تصميم هذا النظام بشكل مناسب كمفاعل تدفق سدادة حيث من المتوقع حدوث تحويلات عالية ومعدلات تفاعل متغيرة مكانيا. ينتج عن تطبيق هذا النموذج على بيانات النفايات السائلة للمفاعل تعبير معدل قانون القدرة للتفاعل المحفز. يوفر هذا التعبير ثروة من المعلومات حول المحفز ويوفر دليلا تجريبيا لآلية لانغموير-هينشلوود. هذه هي المبادئ ، والآن دعونا نعرض مفاعلا حفازا في المختبر.</div><div class = "chapter_text" id = "script_3">في هذا العرض التوضيحي ، يتم هدرجة الإيثيلين في مفاعل حفاز لتكوين الإيثان. المفاعل مليء بمحفز النيكل على دعامة السيليكا ، بالإضافة إلى حشو كربيد السيليكون الخامل لضمان الخلط. ابدأ تشغيل كروماتوجراف الغاز مع إغلاق الصمام الموجود على منفذ حقن العينة. قم بتحميل الطرق المناسبة. ثم اسمح للمعلمات الآلية بالتوازن مع نقاط الضبط المطلوبة. قم بتشغيل تدفق الهواء إلى الحمام الرملي ، ثم تأكد من أن مقياس الدوران يقرأ باستمرار ما بين خمسة وسبعة على مدار الإجراء. قم بتبديل الخطوط المتفاعلة لتمرير مقياس الفقاعة وبدء تدفق الغاز. استخدم مقياس الفقاعات لضبط معدل تدفق المادة المتفاعلة الأولي. لا يلزم قياس تعديلات معدل التدفق اللاحقة من خلال مقياس الفقاعات. بعد ذلك ، تحقق من تكوين المادة المتفاعلة عن طريق تدفق المواد المتفاعلة عبر ممر المفاعل وفي منفذ مدخل كروماتوجراف الغاز.</div><div class = "chapter_text" id = "script_4">قد يتم الآن إدخال الغازات المتفاعلة إلى المفاعل الحفاز. قم بتشغيل سخان الحمام الرملي وأدخل نقطة ضبط درجة الحرارة. يمكن استخدام السخانات المساعدة مع التحكم التلقائي في درجة الحرارة ، ولكن عند الوصول إلى نقطة الضبط ، يجب إيقاف تشغيلها يدويا لأنها لا تخضع لنظام التحكم. عندما تستقر درجة الحرارة عند نقطة الضبط ، استمر في تغذية المواد المتفاعلة في المفاعل. راقب معدل تدفق المنتج ودرجة حرارته بانتظام. إذا توقف تدفق المنتج ، أو حدث هروب في درجة الحرارة ، فأغلق الصمامات المتفاعلة بسرعة وأغلق جميع السخانات ، مع الحفاظ على تدفق الهواء إلى الحمام الرملي. خذ عينات من المنتج الغازي بانتظام لكروماتوغرافيا الغاز. تولد الطريقة كروماتوغرامات متسلسلة لمكونات العينة بما في ذلك أي غاز غير متفاعل. قم بإيقاف تشغيل المفاعل بالضغط على زر التوقف في حالات الطوارئ في وحدة التحكم في درجة حرارة الحمام الرملي. اضبط وحدة التحكم في تدفق الإيثيلين على صفر بالمائة وأغلق جميع الصمامات. انتظر دقيقتين قبل أن تفعل الشيء نفسه مع الهيدروجين. حافظ على تدفق الهواء إلى الحمام الرملي حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة.</div><div class = "chapter_text" id = "script_5">يتم إجراء التفاعل في ظل كل من ظروف الحد من الإيثيلين والحد من الهيدروجين. يتم قياس إنتاج الإيثان بتركيزات مختلفة من المواد المتفاعلة من خلال كروماتوغرافيا الغاز. يتم تحويل هذه البيانات الأولية إلى تحويلات كسرية وأوقات فضاء متفاعلة. يتم إرجاع البيانات إلى تعبيرات معدل قانون القوة التجريبية واختيار أفضل ملاءمة. في هذه الحالة ، يتضمن أفضل تعبير عن المعدل تركيز الإيثيلين المرفوع إلى القوة الأولى ، وتركيز الهيدروجين إلى ربع قوة. يشير هذا التعبير إلى أن الهيدروجين يمتص بقوة المحفز ، بينما يمتص الإيثيلين بشكل ضعيف. إنها آلية Langmuir-Hinshelwood التي يتم التحكم فيها حركيا متسقة.</div><div class = "chapter_text" id = "script_6" >عادة ما تكون المفاعلات الحفازة على نطاق تجريبي صناعيا لدراسة تأثيرات المحفزات وظروف التفاعل على التخليق الكيميائي. ينتج تخليق Fischer-Tropsch وقود الألكان والألكان من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. صناعيا ، غالبا ما يتم إجراؤه في مفاعل ثابت السرير باستخدام محفزات الحديد أو الكوبالت أو الروثينيوم. لم يتم اختيار التفاعل بشكل كبير ويولد منتجات متعددة من خلال مجموعة متنوعة من مسارات التفاعل التي تختلف بناء على اختيار المحفز. يستمر البحث الأساسي في آليته وتكوين المنتج. تستخدم عملية Haber-Bosch الهيدروجين والنيتروجين لإنتاج الأمونيا ، والأهم من ذلك بالنسبة للأسمدة الاصطناعية. إنها عملية كثيفة الاستخدام للطاقة يتم تحفيزها بواسطة الحديد ، أو في كثير من الأحيان ، سبائك الكوبالت الموليبدينوم. تمضي الأبحاث في محفزات طويلة العمر وعالية الانتقائية لزيادة معدلات امتصاص النيتروجين دون إلغاء تنشيطها ، وبالتالي تقليل الضغط اللازم. حفزت هذه العملية تاريخيا نظرية ونمذجة التحفيز غير المتجانس ، وهي الآن موضوع تصميم المحفز الحسابي.</div><div class = "chapter_text" id = "script_7">لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمفاعلات المحفزة غير المتجانسة. يجب أن تكون الآن على دراية بالآلية الأساسية للتحفيز غير المتجانس ، وإجراء لتشغيل مفاعل على نطاق تجريبي وبعض التطبيقات. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة.</div>

تسمى الطريقة الموضحة هنا "الطريقة المتكاملة" في معظم الكتب حول الحركية وتصميم المفاعل. 3 في حين أنه من الصعب رياضيا تطبيقه أكثر بكثير من الطرق التفاضلية ، إلا أنه يتم تكييفه بشكل أفضل لتحليل أنواع البيانات التي يسهل الحصول عليها في معظم أنظمة المفاعلات على نطاق تجريبي ، حيث يمكن أن تختلف الضغوط الجزئية للمادة المتفاعلة والمنتج والتحويلات الجزئية عبر نطاقات واسعة. نظرا لأننا لا نعتمد على مفاعلات الدفعات أو تحويلات منخفضة التفاعل ، فإن هذه "البيانات المتكاملة" هي أيضا أكثر دقة وملاءمة للتوسع. الجزء ...

المفاعل الحفاز: هدرجة الإيثيلين

المصدر: <a href = "https://www.jove.com/author/Kerry+M._Dooley" > Kerry M. Dooley</a> و Michael G. Benton ، قسم الهندسة الكيميائية ، جامعة ولاية لويزيانا ، باتون روج ، لوس أنجلوس
>jove_content<غالبا ما تمت دراسة هدرجة الإيثيلين (C2H4) إلى الإيثان (C2H6) كتفاعل اختزال نموذجي في توصيف محفزات المعادن الجديدة. < فئة الرفع = "xref">1-2 في حين أن النيكل المدعوم ليس المحفز المعدني الأكثر نشاطا لهذا التفاعل ، إلا أنه نشط بدرجة كافية بحيث يمكن أن يحدث التفاعل عند < 200 درجة مئوية.
يتضمن التفاعل عادة الهيدروجين الممتز والمنفصل (H2) الذي يتفاعل مع الإيثيلين الممتز. بمعنى آخر ، تشكل كل من ذرات الهيدروجين وجزيئات الإيثيلين روابط مع موقع معدني (يشار إليها هنا ب "S"). يؤدي الترابط القوي للإيثيلين مع S إلى إضعاف الرابطة المزدوجة بدرجة كافية للسماح لذرات الهيدروجين بالإضافة إلى الإيثيلين ، وتشكيل الإيثان ، الذي لا يتم امتصاصه.
الغرض من هذه التجربة هو ، أولا ، تحويل قياسات التركيب الخام إلى الحد من التحويلات الكسرية للتفاعل. 3 يمكن بعد ذلك استخدام هذه التحويلات في مفاعل تدفق المكونات (PFR) لملاءمة البيانات مع نموذج حركية قانون الطاقة القياسي بواسطة "الطريقة المتكاملة". < فئة التوصيل = "xref">3 تكشف مقارنة الأوامر التجريبية للتفاعل لكل من الإيثيلين والهيدروجين مع الأوامر النظرية في هذه الحالة أن التفاعل يتم التحكم فيه حركيا بدلا من التحكم في نقل الكتلة.

يمكن أن يكون الانحدار غير الخطي للحصول على أفضل التقديرات (باستخدام المعادلات 8 - 9) لأوامر التفاعل m و n ، وثابت المعدل k ، مملا. تتطلب خوارزمية الحل هذه تكاملا رقميا واحدا لكل نقطة بيانات لكل تكرار ل m و n ، مما يؤدي إلى عدة آلاف من عمليات التكامل العددي. تتمثل التقنية البديلة التي تكاد تكون جيدة ، ولكنها أقل تكلفة من الناحية الحسابية ، في صياغة أزواج تجريبية من m ، n بناء على بنية المعادلة. 6. من المؤكد أن أي قيم ضمن نطاق الأوامر النظرية ممكنة. ثم قم بصياغة دالة موضوعية من النوع:
<...

Source: Kerry M. Dooley and Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The hydrogenation of ...

المحفزات هي مواد تضاف إلى أنظمة التفاعل لزيادة معدل التفاعل. نظرا لعدم استهلاك المحفزات في التفاعل ، يتم استخدامها في العديد من العمليات على نطاق صناعي. تزيد المحفزات من معدل التفاعل من خلال توفير مسار ميكانيكي بديل بطاقة تنشيط أقل ، وهو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لاستمرار التفاعل. يمكن أن تكون التفاعلات التحفيزية إما متجانسة ، مما يعني أن المحفز والمواد المتفاعلة في نفس المرحلة ، أو غير متجانسة ، مما يعني أن المحفز والمواد المتفاعلة في مراحل مختلفة. عادة ما تكون المحفزات غير المتجانسة عبارة عن كيانات صلبة على نطاق نانوي مشتتة على مادة داعمة. يبدأ التفاعل التحفيزي بامتصاص المواد المتفاعلة إلى الموقع النشط على سطح الجسيمات النانوية ، متبوعا بالتفاعل ، ثم امتصاص المنتجات. تعتبر المفاعلات التي تستخدم محفزات غير متجانسة أساسية للعديد من العمليات على نطاق صناعي ، مثل إنتاج الوقود الهيدروكربوني. يوضح هذا الفيديو مبادئ المحفزات غير المتجانسة والمفاعلات الحفازة ، ويوضح عملية هدرجة الإيثيلين المحفزة على نطاق تجريبي ، ويناقش بعض التطبيقات. المحفزات غير المتجانسة الأكثر شيوعا لتفاعلات الطور الغازي هي البلورات النانوية المعدنية الانتقالية. غالبا ما تعمل بواسطة آلية Langmuir-Hinshelwood. تبدأ هذه الآلية الافتراضية بامتاصة المواد المتفاعلة على سطح المحفز ، مما يؤدي إلى إلغاء تحديد موقع إلكترونات الترابط الخاصة بها في المدارات الفارغة لذرات المعدن الانتقالي وغالبا ما تنفصل في هذه العملية. قد تتبع عدة خطوات وسيطة ، لكن الآلية تختتم بتفاعل أولي جزيئي حيوي يشكل المنتجات التي تمتص بعد ذلك من سطح المحفز. يعتمد معدل التفاعل الكلي على معدل أبطأ خطوة أولية ، والتي يمكن التعبير عنها من حيث ثوابت التوازن للخطوات الأولية الأخرى. الأهم من ذلك أن المعدل يعتمد على توافر الموقع التفاعلي التحفيزي ، ويتم تصنيع المحفزات ودعمها لزيادة مساحة السطح. الآن بعد أن عرفت كيف يعمل المحفز على المستوى الذري ، دعنا نرى كيف يتم استخدامه في إعداد مفاعل تجريبي. في هذا التفاعل ، نستخدم مفاعل تدفق سدادة أنبوبي يتم فيه إضافة المواد المتفاعلة باستمرار وسحب المنتجات باستمرار. المفاعل عبارة عن أنبوب فولاذي معبأ بمحفز ، وهو موجود في حمام رملي يتم التحكم في درجة حرارته كهربائيا. يتم توصيل المواد المتفاعلة إلى نقطة الإنطلاق بضغط ثابت قبل دخول المفاعل. قد يتم تنفيس النفايات السائلة للمفاعل أو إدخالها في كروماتوجراف الغاز لتحليلها. تتم مراقبة معدلات التدفق باستخدام عدادات الفقاعات ومقاييس الدوران. من أجل السلامة ، يتم تثبيت المواد المتفاعلة المخففة ، وصمامات تخفيف الضغط العالي ، وأنظمة الإغلاق في درجات الحرارة العالية ، وأنظمة الالتفافية والتنفيس ، وكاشف تسرب الغاز القابل للاحتراق. تم تصميم هذا النظام بشكل مناسب كمفاعل تدفق سدادة حيث من المتوقع حدوث تحويلات عالية ومعدلات تفاعل متغيرة مكانيا. ينتج عن تطبيق هذا النموذج على بيانات النفايات السائلة للمفاعل تعبير معدل قانون القدرة للتفاعل المحفز. يوفر هذا التعبير ثروة من المعلومات حول المحفز ويوفر دليلا تجريبيا لآلية لانغموير-هينشلوود. هذه هي المبادئ ، والآن دعونا نعرض مفاعلا حفازا في المختبر. في هذا العرض التوضيحي ، يتم هدرجة الإيثيلين في مفاعل حفاز لتكوين الإيثان. المفاعل مليء بمحفز النيكل على دعامة السيليكا ، بالإضافة إلى حشو كربيد السيليكون الخامل لضمان الخلط. ابدأ تشغيل كروماتوجراف الغاز مع إغلاق الصمام الموجود على منفذ حقن العينة. قم بتحميل الطرق المناسبة. ثم اسمح للمعلمات الآلية بالتوازن مع نقاط الضبط المطلوبة. قم بتشغيل تدفق الهواء إلى الحمام الرملي ، ثم تأكد من أن مقياس الدوران يقرأ باستمرار ما بين خمسة وسبعة على مدار الإجراء. قم بتبديل الخطوط المتفاعلة لتمرير مقياس الفقاعة وبدء تدفق الغاز. استخدم مقياس الفقاعات لضبط معدل تدفق المادة المتفاعلة الأولي. لا يلزم قياس تعديلات معدل التدفق اللاحقة من خلال مقياس الفقاعات. بعد ذلك ، تحقق من تكوين المادة المتفاعلة عن طريق تدفق المواد المتفاعلة عبر ممر المفاعل وفي منفذ مدخل كروماتوجراف الغاز. قد يتم الآن إدخال الغازات المتفاعلة إلى المفاعل الحفاز. قم بتشغيل سخان الحمام الرملي وأدخل نقطة ضبط درجة الحرارة. يمكن استخدام السخانات المساعدة مع التحكم التلقائي في درجة الحرارة ، ولكن عند الوصول إلى نقطة الضبط ، يجب إيقاف تشغيلها يدويا لأنها لا تخضع لنظام التحكم. عندما تستقر درجة الحرارة عند نقطة الضبط ، استمر في تغذية المواد المتفاعلة في المفاعل. راقب معدل تدفق المنتج ودرجة حرارته بانتظام. إذا توقف تدفق المنتج ، أو حدث هروب في درجة الحرارة ، فأغلق الصمامات المتفاعلة بسرعة وأغلق جميع السخانات ، مع الحفاظ على تدفق الهواء إلى الحمام الرملي. خذ عينات من المنتج الغازي بانتظام لكروماتوغرافيا الغاز. تولد الطريقة كروماتوغرامات متسلسلة لمكونات العينة بما في ذلك أي غاز غير متفاعل. قم بإيقاف تشغيل المفاعل بالضغط على زر التوقف في حالات الطوارئ في وحدة التحكم في درجة حرارة الحمام الرملي. اضبط وحدة التحكم في تدفق الإيثيلين على صفر بالمائة وأغلق جميع الصمامات. انتظر دقيقتين قبل أن تفعل الشيء نفسه مع الهيدروجين. حافظ على تدفق الهواء إلى الحمام الرملي حتى يصل إلى درجة حرارة الغرفة. يتم إجراء التفاعل في ظل كل من ظروف الحد من الإيثيلين والحد من الهيدروجين. يتم قياس إنتاج الإيثان بتركيزات مختلفة من المواد المتفاعلة من خلال كروماتوغرافيا الغاز. يتم تحويل هذه البيانات الأولية إلى تحويلات كسرية وأوقات فضاء متفاعلة. يتم إرجاع البيانات إلى تعبيرات معدل قانون القوة التجريبية واختيار أفضل ملاءمة. في هذه الحالة ، يتضمن أفضل تعبير عن المعدل تركيز الإيثيلين المرفوع إلى القوة الأولى ، وتركيز الهيدروجين إلى ربع قوة. يشير هذا التعبير إلى أن الهيدروجين يمتص بقوة المحفز ، بينما يمتص الإيثيلين بشكل ضعيف. إنها آلية Langmuir-Hinshelwood التي يتم التحكم فيها حركيا متسقة. عادة ما تكون المفاعلات الحفازة على نطاق تجريبي صناعيا لدراسة تأثيرات المحفزات وظروف التفاعل على التخليق الكيميائي. ينتج تخليق Fischer-Tropsch وقود الألكان والألكان من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. صناعيا ، غالبا ما يتم إجراؤه في مفاعل ثابت السرير باستخدام محفزات الحديد أو الكوبالت أو الروثينيوم. لم يتم اختيار التفاعل بشكل كبير ويولد منتجات متعددة من خلال مجموعة متنوعة من مسارات التفاعل التي تختلف بناء على اختيار المحفز. يستمر البحث الأساسي في آليته وتكوين المنتج. تستخدم عملية Haber-Bosch الهيدروجين والنيتروجين لإنتاج الأمونيا ، والأهم من ذلك بالنسبة للأسمدة الاصطناعية. إنها عملية كثيفة الاستخدام للطاقة يتم تحفيزها بواسطة الحديد ، أو في كثير من الأحيان ، سبائك الكوبالت الموليبدينوم. تمضي الأبحاث في محفزات طويلة العمر وعالية الانتقائية لزيادة معدلات امتصاص النيتروجين دون إلغاء تنشيطها ، وبالتالي تقليل الضغط اللازم. حفزت هذه العملية تاريخيا نظرية ونمذجة التحفيز غير المتجانس ، وهي الآن موضوع تصميم المحفز الحسابي. لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمفاعلات المحفزة غير المتجانسة. يجب أن تكون الآن على دراية بالآلية الأساسية للتحفيز غير المتجانس ، وإجراء لتشغيل مفاعل على نطاق تجريبي وبعض التطبيقات. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة.

catalytic-reactor-hydrogenation-of-ethylene

Education

JoVE Science Education

Engineering

الهندسة

Chemical Engineering

الهندسة الكيميائية

Catalytic Reactor: Hydrogenation of Ethylene

ethylene to ethane catalyst kinetics

Ethylene hydrogenation is a catalyst kinetics experiment that converts ethylene (C2H4) into ethane (C2H6). It is often used as a model reduction reaction for testing new metal catalysts. In this study, supported nickel is used. It is not the most active catalyst for this reaction, but it works well enough for the reaction to occur below 200°C.

The reaction happens on a metal surface. Hydrogen gas first dissociates, which means it splits into hydrogen atoms. Ethylene also adsorbs, or sticks, to the same metal site. These surface-bound species then react. The strong bond between ethylene and the site weakens the double bond and allows hydrogen atoms to add to ethylene. The product is ethane, and it does not remain adsorbed on the surface.

The experiment focuses on reaction-rate analysis. Raw composition measurements are converted into limiting-reactant fractional conversions. Those conversions are then used in a plug-flow reactor, or PFR, to fit a standard power-law kinetics model with the Integral Method. The measured reaction orders for ethylene and hydrogen are compared with the theoretical orders. In this case, that comparison shows the reaction is kinetically controlled rather than mass-transfer controlled.

Ethylene to Ethane Catalyst Kinetics

testing the heat transfer efficiency of a finned-tube heat exchanger

testing-the-heat-transfer-efficiency-of-a-finned-tube-heat-exchanger

Finned-Tube Heat Exchanger Flow Testing

Heat exchangers move heat from one fluid to another. Shell and tube exchangers and plate exchangers are two common types. In a shell and tube exchanger, one fluid flows through a set of tubes while a second fluid flows around them to cool or heat the first stream. In a plate heat exchanger, fluids move between closely joined plates with a small gap between each plate. Because plate exchangers have a large surface area, they are usually more efficient. This experiment studies a finned-tube heat...

using a tray dryer to investigate convective and conductive heat transfer

using-tray-dryer-to-investigate-convective-conductive-heat

Tray Dryer Study of Heat and Mass Transfer

Tray dryers are used in many industrial processes to remove water from solids. They do this by moving heat through the material. Dryers can use different heat transfer methods. Adiabatic dryers rely on convection, which is heat transfer by moving gas, and direct contact with gases. Non-adiabatic dryers use other methods, including conduction, radiation, and radio frequency drying. Dryers may also run as batch processes or as continuous systems. In a batch process, a set amount of material is...

viscosity of propylene glycol solutions

Propylene Glycol Flow and Viscometer Tests

In this experiment, a Cannon-Fenske viscometer measures the viscosities of several propylene glycol solutions. The goal is to determine the relationship between viscosity and composition.

porosimetry of a silica alumina powder

Nitrogen Adsorption for Pore Analysis

Nitrogen adsorption and desorption are used to measure the surface area and pore size distribution of a porous solid. These two properties help show how well a material can adsorb molecules or support catalytic activity. For adsorbent and catalyst manufacturers, surface area and pore size distribution are important quality control measures. They also help identify when a product is reaching the end of its useful life. In a porous solid, the surface area is closely tied to how much material it...

demonstration of the power law model through extrusion

demonstration-of-the-power-law-model-through-extrusion

Polymer Extrusion and Flow Behavior

Polymer extrusion turns heated thermoplastic material into simple shapes such as pellets, sheets, or pipe. An extruder melts the solid feed, moves it forward, and builds pressure as the material flows through the die. Polyolefins are among the most common polymers used for this process. This experiment uses a simple lab extruder to test how operating conditions affect polymer output and pressure drop. The feed may also include non-polymeric materials. The same setup can be used to study...

gas absorber

Gas Absorber Column Mass Transfer

Gas absorbers remove contaminants from gas streams, and this page focuses on how a packed counter-flow column works. In this setup, the gas and liquid move in opposite directions. The column is filled with random packing that helps the two phases make efficient contact. Packed bed absorbers can use loose packing made from ceramics, metals, or plastics. Structured packing can also be used. The large surface area from the packing supports high mass transfer rates, and these systems are low...

vapor-liquid equilibrium

Using Vapor-Liquid Data in Distillation

Vapor-liquid equilibrium helps explain how liquid mixtures separate in distillation. Distillation is a process that separates liquids by their boiling point. A liquid mixture is fed into a distillation unit or column and then boiled. As the mixture heats, the component with the lower boiling point forms vapor more easily. That vapor rises through the column, while the other liquid stays behind and drains through the unit. Vapor-liquid equilibrium data helps predict this split and shows how a...

the effect of reflux ratio on tray distillation efficiency

the-effect-of-reflux-ratio-on-tray-distillation-efficiency

Measuring Tray Performance in Distillation

Tray distillation is used to separate liquid mixtures with a column that contains trays or packed sections. This experiment focuses on a sieve tray column, which uses trays with holes in a support plate to create a large contact area between liquid and vapor. The mixture being separated contains methanol, isopropanol, and water. The Tray Distillation Unit starts in total reflux mode. After a steady reflux drum level is reached, the system is switched to finite reflux mode. The bottoms,...

efficiency of liquid-liquid extraction

Water Extraction in a York-Scheibel Column

Liquid-liquid extraction uses two immiscible or partly miscible liquids to separate a solute by solubility differences. The feed and solvent are mixed, then separated so the solute moves from the feed into the solvent. The solvent-rich stream leaving the unit is the extract, and the solute-poor stream is the raffinate. This separation is often used instead of distillation when the compounds have very similar relative volatility. It is also useful when one or more mixture components are...

liquid phase reactor: sucrose inversion

Packed Bed Kinetics of Sucrose Inversion

Packed bed reactors can be used to study the kinetics of sucrose inversion. In this liquid-phase reaction, sucrose is converted into glucose (dextrose) and fructose while a solid catalyst helps drive the process. Batch and continuous flow reactors are both used in catalytic chemistry. Packed beds use a solid catalyst with continuous flow, and they are the most common reactor setup. Without a large recycle stream, packed bed reactors are usually modeled as plug flow. The other common continuous...

crystallization of salicylic acid via chemical modification

crystallization-of-salicylic-acid-via-chemical-modification

Salicylic Acid Crystal Growth by pH Swing

Salicylic acid crystal growth by pH swing uses a chemical change to make solid salicylic acid form from solution. This crystallization method is common in biochemical processing, where scientists separate solids from liquids or large molecules from small ones. Crystallization is especially important in pharmaceutical, chemical, and food processing industries because it handles large amounts of material. Crystal shape and crystal size matter in process economics. They can affect later steps...

single and two-phase flow in a packed bed reactor

single-and-two-phase-flow-in-a-packed-bed-reactor

Tracing Flow Patterns in Packed Bed Reactors

Packed bed reactors can show uneven flow patterns in both single-phase and two-phase systems. This experiment examines that maldistribution and how it changes pressure drop across the bed. It also uses tracers to connect residence time distribution and dispersion to the way fluid moves through the packing. In single-phase flow, channeling can develop along the walls or through a larger part of the bed cross-section. In two-phase flow, channeling can arise from more complex causes. Simple...

kinetics of addition polymerization to polydimethylsiloxane

kinetics-of-addition-polymerization-to-polydimethylsiloxane

Polymer Viscosity and Molecular Weight

Polymers are long molecules made of repeating monomer units that are chemically bonded together. Their properties depend on chemical structure, molecular weight, and degree of polymerization. The polymer industry makes many raw materials that are used in commercial products. This experiment uses an addition polymerization reaction to make polydimethylsiloxane. The product is then evaluated to show how viscosity can help determine polymer molecular weight. It also examines how molecular weight...

catalytic reactor: hydrogenation of ethylene

Ethylene hydrogenation is a catalyst kinetics experiment that converts ethylene (C2H4) into ethane (C2H6). It is often used as a model reduction reaction for testing new metal catalysts. In this study, supported nickel is used. It is not the most active catalyst for this reaction, but it works well enough for the reaction to occur below 200°C. The reaction happens on a metal surface. Hydrogen gas first dissociates, which means it splits into hydrogen atoms. Ethylene also adsorbs, or sticks, to...

evaluating the heat transfer of a spin-and-chill

evaluating-the-heat-transfer-of-a-spin-and-chill

Spin-and-Chill Cooling Test for Soft Drinks

The Spin-and-Chill experiment tests how fast a soft drink cools when a can or bottle is spun at high speed. It uses heat transfer and fluid flow ideas to study why rotation can chill a beverage from room temperature to 38 °F in as little as 2 min. The setup can cool much faster than a refrigerator, which takes about 240 min for the same temperature change. It is also faster than an ice chest, which takes about 40 min. Spinning the container at up to 500 rpm creates little or no foaming, so the...

chemical engineering

This collection explains fundamental concepts in chemical engineering using an experimental approach and it presents necessary operating procedures of various apparatuses such as the tray dryer and the viscometer.


Study how ethylene hydrogenation on supported nickel is analyzed in a plug-flow reactor, from surface reaction steps to kinetic order fitting.

Ethylene to Ethane Catalyst Kinetics

Description

Transcript

Tags