How do catalysts increase reaction rates?

Catalysts increase reaction rates by providing an alternative mechanistic pathway with lower activation energy, the minimum energy required for a reaction to proceed. They are not consumed in the reaction, making them valuable for industrial-scale processes. Heterogeneous catalysts, typically solid nanoparticles on support materials, work through adsorption of reactants, reaction, and desorption of products on active sites.

What is the difference between homogeneous and heterogeneous catalysts?

Homogeneous catalysts exist in the same phase as reactants, while heterogeneous catalysts exist in a different phase. Heterogeneous catalysts are typically solid, nano-scale entities dispersed on support materials. For gas-phase reactions, transition metal nanocrystals are the most common heterogeneous catalysts, operating through the Langmuir-Hinshelwood Mechanism involving surface adsorption and desorption steps.

What happens during the Langmuir-Hinshelwood mechanism?

The Langmuir-Hinshelwood mechanism begins with reactants adsorbing to the catalyst surface, where their bonding electrons delocalize into empty orbitals of transition metal atoms, often causing dissociation. Several intermediate steps follow, concluding with a bimolecular elementary reaction forming products that desorb from the surface. The overall reaction rate depends on the slowest elementary step and the availability of catalytic reactive sites.

Why is a plug flow reactor appropriate for this catalytic hydrogenation?

A plug flow reactor is appropriate because high conversions and spatially variable reaction rates are expected in the ethylene hydrogenation process. The tubular reactor is packed with catalyst and operated continuously with reactants added and products withdrawn. This model allows researchers to apply kinetic analysis to reactor effluent data, yielding power law rate expressions that provide evidence for the reaction mechanism.

What does the power law rate expression reveal about the catalyst?

The power law rate expression reveals information about how reactants interact with the catalyst surface. In ethylene hydrogenation, the best-fit expression includes ethylene concentration raised to the first power and hydrogen concentration to the one-quarter power. This indicates hydrogen adsorbs strongly to the catalyst while ethylene adsorbs weakly, consistent with a kinetically controlled Langmuir-Hinshelwood mechanism.

What safety systems are essential in a catalytic reactor setup?

Essential safety systems include high-pressure relief valves, high-temperature shutdown controls, bypass and venting systems, and combustible gas leak detectors. Diluted reactants are used to reduce hazards. The reactor operates in an electrically heated, temperature-controlled sand bath with continuous monitoring of flow rates and temperature. Emergency shutdown procedures include closing reactant valves, shutting off heaters, and maintaining air flow until the system cools.

How are catalytic reactors applied in industrial processes?

Pilot-scale catalytic reactors study effects of catalysts and reaction conditions on chemical synthesis. The Fischer-Tropsch Synthesis produces alkane fuels from carbon monoxide and hydrogen using iron, cobalt, or ruthenium catalysts. The Haber-Bosch Process produces ammonia from hydrogen and nitrogen using iron or cobalt-molybdenum catalysts. Research continues into long-life, high-selectivity catalysts to improve efficiency and reduce operational pressure requirements.

المفاعل الحفاز: هدرجة الإيثيلين

0 مشاهدة08:56 دقيقة

يتم التحكم في النظام من خلال نظام تحكم موزع تجاري؛ لا يوجد سوى واجهة مشغل واحدة.

< p class = "jove_title" >1. بدء تشغيل المفاعل

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.
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.
قم بتمكين الطاقة الرئيسية لسخان الحمام الرملي عن طريق الضغط على زر START باللون الأسود على لوحة لوحة وحدة CAT.
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.
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.

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.

قم بتعيين القيمة الرقمية على الواجهة التي تحدد ما إذا كان سيتم استخدام الكمبيوتر أو لوحة اللوحة إلى 1 للإشارة إلى استخدام الكمبيوتر.
حظر بند عينة GC.
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).
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.
قم بإلغاء حظر خط عينة GC وتدفق المواد المتفاعلة عبر تجاوز المفاعل وإلى منفذ مدخل GC.
استخدم كروماتوجراف الغاز لتحليل تركيبة منتج الغاز. وترد في التذييل باء تعليمات إضافية حول كيفية تشغيل الهيكل الإضافي وتحديد التكوين.

3. إغلاق المفاعل

قم بإيقاف تشغيل الطاقة الرئيسية لسخان حمام الرمل عن طريق دفع EMERG الأحمر. زر STOP على لوحة لوحة وحدة CAT.
ضع TIC-10 في وضع MAN واضبط الإخراج على 0٪. اضبط الطاقة الإضافية (إذا كانت قيد التشغيل) على 0٪.
اضبط تدفق الإيثيلين على 0٪ عن طريق وضع وحدة التحكم في MAN وضبط الإخراج على 0٪.
أغلق كل من صمامات كتلة الإيثيلين قبل نقطة الإنطلاق وقم بإغلاق صمام أسطوانة الغاز الرئيسي.
دع الهيدروجين / النيتروجين يتدفق لمدة ~ 2 دقيقة قبل إيقاف التشغيل ؛ سيؤدي ذلك إلى إطالة عمر المحفز.
قم بسد كلا الصمامين قبل نقطة الإنطلاق الخلط. ثم أغلق الصمام الرئيسي لخليط الهيدروجين / النيتروجين.
اترك الهواء في الطبقة المميعة.

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.

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.

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.