催化反应器: 乙烯加氢

催化剂是添加到反应体系中以提高反应速率的材料。由于催化剂不被消耗在反应中, 它们被用于许多工业规模的过程中。催化剂通过提供一种具有较低活化能的替代机械通路来提高反应速率, 这是反应进行所需的最小能量。催化反应可以是均匀的, 这意味着催化剂和反应物处于同一阶段, 或异质, 这意味着催化剂和反应物处于不同的阶段。通常情况下, 异构催化剂是固体, 纳米尺度的实体分散在一个支持材料。催化反应开始于对活性部位在纳米粒子表面的吸附, 其次是反应, 然后解吸产物。使用非均相催化剂的反应堆是几个工业规模过程的中心, 例如碳氢化合物燃料的生产。本视频阐述了非均相催化剂和催化反应器的原理, 论证了催化乙烯加氢工艺的先导作用, 并讨论了一些应用。

气相反应最常见的非均质催化剂是过渡金属纳米晶。他们经常使用艾伦·欣谢尔机制。这种假设机制的开始, 反应物吸附到催化剂的表面, delocalizing 他们的结合电子到空轨道的过渡金属原子, 并经常游离在过程中。几个中间步骤可能会跟随, 但机制的结论是, 生物分子的基本反应, 形成的产品, 然后脱从催化剂的表面。总的反应速率取决于最慢的基本步骤的速度, 这可以用其他基本步骤的平衡常数来表示。重要的是, 这一速率取决于催化反应现场的可用性, 催化剂是捏造和支持, 以最大限度地扩大表面积。现在, 你知道一个催化剂如何在原子级工作, 让我们看看它是如何使用在一个试点反应堆设置。

对于这个反应, 我们使用一个管状的塞式流动反应器, 其中的反应物不断添加和产品不断撤回。该反应器是一个装有催化剂的钢管, 它包含在一个电加热温度控制的砂浴中。在进入反应器之前, 将反应物输送到恒定的压力混合三通中。反应器流出物可以被排出或输入到气相色谱仪中进行分析。流速的监测使用气泡计和流量计。安全, 稀释的反应物, 高压安全阀, 高温关闭, 旁路和排气系统, 并安装了可燃气体检漏仪。该系统被适当地建模为一个塞流反应器, 因为高转换和空间可变的反应速率是预期的。将该模型应用于反应堆出水数据, 产生了催化反应的幂律率表达式。该表达式提供了大量有关催化剂的信息, 为艾伦·欣谢尔机制提供了实验依据。这些都是原则, 现在让我们在实验室演示一个催化反应器。

在这个演示中, 乙烯在催化反应器中被氢化以形成乙烷。反应堆是用镍催化剂在二氧化硅支架上包装的, 以及一个惰性的硅碳化物填料, 以确保混合。启动气相色谱仪与阀门上的样品注射口关闭。加载适当的方法。然后允许仪器参数平衡到它们所需的集合点。在空气流动到沙子浴, 然后保证流量计一致地读在五和七之间过程期间。切换反应物线通过气泡计, 并开始气体流动。使用气泡计来设置初始反应物流量。随后的流量调整不需要通过气泡计来衡量。然后, 通过反应器旁路将反应物流动, 进入气相色谱入口端口, 检查反应产物组成。

反应物气体现在可以输入到催化反应器中。打开沙浴加热器, 进入温度设定点。辅助加热器可与自动温控器一起使用, 但当设定点到达时, 必须手动关闭, 因为它们不受控制系统的约束。当温度稳定在设定点, 继续哺养反应物入反应器。定期监控产品的流量和温度。如果产品流量停止, 或发生温度运行, 迅速关闭反应物阀门和关闭所有加热器, 但保持空气流动的沙浴。定期抽取气体产品样品进行气相色谱分析。该方法产生包括任何未气体在内的样品组分的顺序谱。通过在砂浴温度控制器上按紧急停止按钮关闭反应堆。将乙烯流量控制器设置为零百分比, 关闭所有阀门。等待两分钟, 然后做同样的氢。保持空气流动到沙子浴直到它到达室温。

这种反应是在乙烯限制和氢限制条件下进行的。用气相色谱法测定了不同反应物浓度下的乙烷产量。这些原始数据被转换成分数转换和反应物空间时间。数据回归到试用幂律率表达式和最佳匹配选择。在这种情况下, 最好的速率表达式包括提高到第一个功率的乙烯浓度, 以及氢浓度到四分之一的功率。这个表达式表明, 氢吸附强烈对催化剂, 而乙烯吸附弱。它是一致的动力学控制的艾伦·欣谢尔机制。

试验级催化反应器通常在工业上研究催化剂和反应条件对化学合成的影响。托合成产生的烷烃和烷烃燃料从一氧化碳和氢气。工业上, 它通常是在固定床反应器中使用铁、钴或钌催化剂进行的。反应不是高度选择和产生多个产品通过各种反应途径, 不同的选择催化剂。基础研究继续其机制和产品组成。哈伯-博世工艺采用氢气和氮气生产氨, 最重要的是人工肥料。这是一种由铁或不太频繁的钴钼合金催化的能量密集型过程。研究正在进行长寿命, 高选择性催化剂, 以提高氮吸附率, 而无需停用, 从而减少必要的压力。这一过程从历史上推动了异构催化的理论和建模, 是目前计算催化剂设计的课题。

你刚刚看了朱庇特的介绍异构催化反应器。你现在应该熟悉的基本机制的异构催化, 操作过程中的一个试点规模的反应堆和一些应用。一如既往, 感谢收看。