Flüssigphasenreaktor: Inversion von Saccharose

Chemische Reaktionen werden in verschiedenen Reaktortypen mit Hilfe von Katalysatoren durchgeführt, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Umwandlung zu verbessern. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist temperaturabhängig und wird daher stark durch den Wärmeübergang beeinflusst. Darüber hinaus wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch Stofftransport beeinflusst, da eine Reaktion nicht schneller ablaufen kann als die Geschwindigkeit, mit der die Reaktanten der Katalysatoroberfläche zugeführt werden. Daher werden Festbettreaktoren oft gegenüber Batch-Reaktoren bevorzugt, da eine schnelle Wärmeübertragung besser möglich ist. In diesem Video wird die Kinetik einer einfachen Reaktion in einem Festbettreaktor analysiert. Der Reaktor wird unter verschiedenen Bedingungen betrieben, um die reale Reaktionsordnung und eine Stammgeschwindigkeitskonstante zu bestimmen, da die Kinetik realer Systeme oft von dem abweicht, was erwartet wird.

Festbettreaktoren können als eine Reihe von vielen gleich großen CSTRs modelliert werden, deren Gesamtvolumen und Katalysatorgewicht mit denen des Festbettreaktors übereinstimmen. Dieses Modell wird als Panzer-in-Serie-Modell bezeichnet und wird durch diese Gleichung gegeben. Dabei ist i die Reaktornummer, CA0 die Zulaufkonzentration des begrenzenden Reaktanten und delta FAI die Änderung der fraktionellen Umwandlung des begrenzenden Reaktanten. Schließlich ist RAI die Reaktionsgeschwindigkeit, N ist die Anzahl der benötigten Tanks und Tao ist die Verweilzeit. Die Vorwärtsrate für eine katalytische Reaktion ist fast immer erste Ordnung in Bezug auf die Katalysatorkonzentration und einige positive Ordnung kleiner als zwei in Bezug auf die Reaktantenkonzentration. Die Hemmung des Katalysators kann jedoch die Reaktionsreihenfolge verändern, was dazu führt, dass die Reaktionsordnung geringer erscheint, als sie tatsächlich ist. Sogar Reaktanten können den Katalysator hemmen, so dass die Reaktionsordnung nahe Null erscheint. Aus diesen Gründen werden katalytische Reaktionen durch das Potenzgesetzmodell beschrieben, wobei K prime die scheinbare Geschwindigkeitskonstante, CA die Konzentration des begrenzenden Reaktanten und beta die scheinbare Reaktionsordnung ist. Das Modell geht davon aus, dass die Katalysatorkonzentration konstant ist. In der Praxis deaktivieren sich Katalysatoren jedoch. Daher sollte die Katalysatorkonzentration als Funktion der Zeit modelliert werden. In der folgenden Demonstration wird die Kinetik einer typischen Reaktion mit einem Feststoffkatalysator und Flüssigphasenreaktanten und -produkten demonstriert. Die Reaktion beinhaltet den Abbau von Saccharose in Glukose und Fruktose, die als Saccharoseinversion bezeichnet wird. Die Reaktion ist typischerweise erster Ordnung in Bezug auf Saccharose und in Bezug auf Katalysatorstellen. Die Geschwindigkeitskonstante wird durch Wärme- und Stofftransport, Strömungsverteilung, Temperatur und Katalysatoraktivierung beeinflusst. So wird die Geschwindigkeitskonstante experimentell für das spezifische System bestimmt. Nachdem wir nun das Modell der in Serie befindlichen Panzer und die Ableitung der Reaktionskinetik besprochen haben, werfen wir einen Blick auf das Verfahren selbst.

Bevor Sie beginnen, machen Sie sich mit dem Gerät vertraut. Wählen Sie Perm aus dem Einheitenelement im Menü, um auf den Permeameter-Schaltplan zuzugreifen. In diesem Experiment wird das Gerät über ein verteiltes Steuerungssystem betrieben. Es werden nur Bett Nummer eins, der Tank für organische Stoffe, die Pumpe und der Temperaturregler T505 verwendet. Durch die Auswahl von Trend 50 können alle Daten und die wichtigsten Prozessvariablen in Bezug auf die Zeit abgerufen und in einer Tabelle gesammelt werden. Öffnen Sie nun die Einlass- und Auslassventile zum katalytischen Reaktorbett Nummer eins. Stellen Sie sicher, dass die Ein- und Austrittswerte zu den anderen Betten sowie das Regelventil F531 und das Ein-/Aus-Ventil D531 an der städtischen Wasserversorgung geschlossen sind.

Geben Sie verdünnte Säure in den Zwei-Liter-Tank. Schalten Sie die Förderpumpe auf eine konstante Drehzahl ein und stellen Sie den Rotameter so ein, dass er einen gewünschten Durchfluss von 40 bis 70 Millilitern pro Minute erreicht. Erhöhen Sie die Drehzahl der Förderpumpe, wenn der Rotameter diesen Durchflussbereich nicht erreichen kann. Füttern Sie die Säure und dann etwa 200 Milliliter deionisiertes Wasser, um den Katalysator zu regenerieren, indem Sie die Kationen wie Natrium oder Kalzium austauschen, die mit Sulfonsäure-Anionen interagieren. Bereiten Sie als Nächstes die Saccharose-Futterlösung vor und geben Sie einen Liter in den Bio-Tank. Schalten Sie die Pumpe ein. Verwenden Sie den Drehzahlregler der Pumpe und den Rotameter, um den Drehzahlfluss wie gewünscht einzustellen. Stellen Sie den Temperaturregler T505 auf Auto und wählen Sie einen Sollwert von 50 Grad Celsius. Wenn das System 50 Grad erreicht hat, stellen Sie den Sollwert auf die Endtemperatur von 60 Grad ein, bei der die Reaktion normalerweise durchgeführt wird.

Verwenden Sie zunächst ein Reagenzglas, um mindestens 25 Milliliter des Anfangsfutters zu sammeln, um eine Saccharoseprobe zu erhalten, bevor die Reaktion begonnen hat. Warten Sie dann, bis zwei Verweilzeiten vergangen sind, und entnehmen Sie zwei Sätze von 25 Millilitern am Abfluss, die 10 Minuten voneinander entfernt sind. Diese Proben werden mit einem Polarimeter analysiert. Um mit dem Herunterfahren des Reaktors zu beginnen, stellen Sie den T505 auf Null aus. Sobald die Temperatur zu sinken beginnt, schalten Sie den Reaktor ab und schließen Sie dann die Absperrventile am ersten Bett. Verwenden Sie nun ein Polarimeter, um die Proben zu analysieren. Ein Polarimeter wird verwendet, da Kohlenhydrate Enantiomere sind und polarisiertes Licht bis zu einem gewissen Grad drehen. Saccharose dreht das Licht nach rechts, während die Lösung aus Glukose und Fruktose es nach links dreht, was negative Werte ergibt. Schalten Sie die Natriumdampflampe ein und warten Sie, bis ein gelbes Licht zu sehen ist. Ein gleichmäßiges Dunkelfeld ist an der Nullstellung des Zifferblatts sichtbar. Übertragen Sie 25 Milliliter der Reaktionsprobe in das Röhrchen und setzen Sie es mit dem Kolben in der Nähe des Okulars nach oben in das Polarimeter ein und schließen Sie dann die Abdeckung. Dunkle und helle Farbsäume können durch die Linse beobachtet werden, wenn die Reaktionsprobe polarisiertes Licht dreht. Drehen Sie das Zifferblatt, bis die Farbsäume verschwinden und ein gleichmäßiges Dunkelfeld sichtbar wird. Stellen Sie den Fokus mit dem schwarzen Zifferblatt ein und lesen Sie mit der Nonius-Skala den Drehwinkel durch die Lupe ab, um die Bruchumwandlung von Saccharose zu bestimmen.

Werfen wir nun einen Blick auf die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstante anhand der fraktionierten Umwandlung von Saccharose in einem Festbettreaktor. Die spezifische Rotation D jedes Zuckers ist in der Literatur zu finden und korreliert mit der gemessenen Rotation und der Konzentration. Die Konzentration wird dann verwendet, um die fraktionierte Umwandlung zu bestimmen. Diese Daten werden hier gegen den Grad der Drehung dargestellt. Je höher die Konzentration von Saccharose, desto höher ist der positive Rotationsgrad. Wenn die Reaktion fortschreitet und Saccharose in Glukose und Fruktose umgewandelt wird, nimmt der positive Grad der Rotation ab. Werfen wir nun einen Blick auf die Reaktionskinetik der Saccharose-Inversion bei 60 Grad Celsius. Berechnen Sie die Pseudo-Konstante erster Ordnung K prime für jede Zufuhrkonzentration, wobei die Abhängigkeiten erster Ordnung des Katalysators ignoriert werden. Berücksichtigen Sie dann die Abhängigkeit erster Ordnung des Katalysators, indem Sie die Pseudo-Geschwindigkeitskonstante erster Ordnung durch die Konzentration des Katalysators dividieren, um die Geschwindigkeitskonstante zweiter Ordnung K zwei zu erhalten. Um die reale Reaktionsreihenfolge für die gewonnenen Daten zu bestimmen, beginnt man mit der verallgemeinerten Molbilanz des Festbettreaktors in Bezug auf das Katalysatorgewicht W. Bestimmen Sie dann die Gleichungen für jede Reaktionsordnung. Passen Sie diese Gleichungen mithilfe einer nichtlinearen Regression an die Daten an, und bestimmen Sie die Summe der quadrierten Fehler, um die Anpassung auszuwerten. Passen Sie nun die Daten an das Modell der Tanks in Reihe für die Reaktion erster Ordnung an und bestimmen Sie die Anzahl der benötigten Tanks. Es wird eine kleine Anzahl von Tanks berechnet, was darauf hindeutet, dass die Reaktion vom idealen Verhalten des Festbettreaktors abweicht. Dies ist höchstwahrscheinlich auf axiale Vermischung und Temperaturschwankungen innerhalb des Reaktors zurückzuführen. Schließlich können wir das Reaktionsverhalten verschiedener kinetischer Ordnungen vergleichen, einschließlich Festschichtreaktormodellen erster und zweiter Ordnung mit Tanks-in-Serienmodellen erster und zweiter Ordnung, die aus zwei Tanks bestehen. Es ist klar, dass die fraktionale Umrechnung für das Packungsbettreaktormodell erster Ordnung das beobachtete Verhalten besser widerspiegelt, wie es mit dem bekannten Datenpunkt für 15 Gewichtsprozent Saccharose übereinstimmt.

Feststoffkatalysatoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen und Reaktoraufbauten eingesetzt, da sie eines der wichtigsten Bereiche der modernen Technologie sind. Ein Wirbelschichtreaktor verwendet einen festen Katalysator, der in einer Flüssigkeit suspendiert ist. Die Flüssigkeit, in der Regel Gas oder Flüssigkeit, wird mit ausreichend hohen Geschwindigkeiten durch feste Katalysatorpartikel geleitet, um sie zu suspendieren und sie wie eine Flüssigkeit zu verhalten. Diese Art von Reaktoren kann für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, darunter die Pyrolyse von lignozellulosehaltiger Biomasse. Bei diesem Prozess kommt es zur thermischen Zersetzung von Biomasse, wodurch sauerstoffhaltige Bioöle entstehen. Die Leistung des Katalysators variiert je nach Betriebsbedingungen, die mit einer temperaturprogrammierten Reaktion gemessen werden können. Eine temperaturprogrammierte Reaktion beinhaltet die stetige Erhöhung der Reaktionstemperatur mit der kontinuierlichen Überwachung des Reaktorabwassers. Die Leistung wird dann mit der Temperatur korreliert, was die Bestimmung der optimalen Betriebstemperatur ermöglicht.

Sie haben gerade Joves Einführung in Festbettreaktoren für katalytische Reaktionen gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Sie die Kinetik der Reaktion analysieren und wie Sie das Verhalten mit dem Modell der Tanks in Reihe modellieren. Danke fürs Zuschauen.