4.14: Katalytischer Reaktor: Hydrierung von Ethylen

Das System wird durch einen kommerziellen Prozessleitsystem gesteuert; Es gibt nur eine Bedienoberfläche.

1. Reaktor Startup

1. Um die Verlaufsansicht Echtzeit-Prozess zu starten, navigieren Sie zu Start > DeltaV > Operator > Geschichte Prozessansicht, und öffnen Sie dann CATUnitOverview. Diagramm-Skalen können komprimiert oder erweitert durch Klicken auf die Schaltflächen in der Menüleiste. Verfahren zum Herunterladen von Daten von der Steuerung auf eine Excel-Tabelle zur Verfügung, auf dem Computer.
2. Stellen Sie sicher, dass die Luft, die Sandbath auf. Der Rotameter lauten ≈5 oder höher und von Ausführung zu Ausführung konstant gehalten werden, einheitliche Heizung bieten.
3. Ermöglichen Sie Hauptschalter an der Sandbath-Heizung durch Drücken des Schwarz-bunte auf die Katze Einheit Schalttafel.
4. Eingestellte Temperatur-Controller (TIC-10, für die Sandbath) auf gewünschte anfängliche Sollwert, AUTO-Modus. Um schnelle Heizung zu Beginn des Experiments zu verwenden, finden Sie in Anhang A.
5. Die Temperaturen können auf dem Chart überwacht werden. Der Reaktor Abwasser Volumenstrom sollte in regelmäßigen Abständen überprüft werden. Wenn Probleme wie Verlust der Strömung oder Ausreißer Temperatur entwickeln, schalten Sie beide Reaktionspartner fließt mit entsprechenden Absperrventile und schalten Sie alle Heizungen ausgeschaltet. Sandbath Luft abgeben.

2. set Flussraten

Eingestellten Durchflussmengen vor der Heizung. Kalibrierungen für die zwei Flow Controller - FIC-301 für die Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch- und FIC-302 für Ethylen werden zur Verfügung gestellt werden.

1. Legen Sie den digitalen Wert auf die Schnittstelle, die gibt an, ob der Computer oder der Schalttafel auf 1 benutzt wird, um Computerverwendung anzugeben.
2. Die GC-Entnahmeleitung zu blockieren.
3. Bestimmen Sie der Volumenstrom durch die Anstiegsgeschwindigkeit einer einzelnen Blase zwischen zwei Bände in einer Blase Meter timing. Ein Blase-Meter ist ein Glas-Bürette mit abgestuften Mengen. Stellen Sie sicher, dass die GC-Entnahmeleitung blockiert wird, wenn die Blase Meter aktiv zur Messung des Durchflusses (Kalibrierung, Prüfung Ausfahrt Durchfluss) verwendet wird.
4. Nehmen Sie mindestens eine Probe des Futters durch den Bypass (eine leere Probe), seine Zusammensetzung zu überprüfen. Es ist in Ordnung, Durchflussmengen im laufenden Betrieb zu ändern, ohne Umgehung des Reaktors. Ändern die Durchflussmengen auch Veränderungen der relativen Konzentrationen des Futters (der Druck konstant), werden so Flussraten oft geändert werden müssen.
5. Die GC-Entnahmeleitung zu entsperren und der Reaktanden durch den Reaktor-Bypass und in der GC-Ansaugöffnung fließen.
6. Verwenden Sie einen Gaschromatographen die Gaszusammensetzung Produkt analysieren. Weitere Hinweise sind im Anhang B zum Betreiben der GC und Zusammensetzung enthalten.

(3) Reaktors Herunterfahren

1. Shutdown Hauptschalter zur Sandbath Heizung durch Drücken der roten EMERG. STOP-Taste auf der CAT-Einheit Schalttafel.
2. Platz TIC-10 Mann Modus und der Ausgang auf 0 %. Hilfsenergie (wenn auf) auf 0 % festgelegt.
3. Eingestellten Ethylen Flow 0 % indem man den Controller im Mann und den Ausgang auf 0 % einstellen.
4. Schalten Sie beide Ethylen-Block-Ventile vor dem Mischen Abschlag und Absperrung Hauptgasventils Zylinder.
5. Lassen Sie Wasserstoff/Stickstoff fließen für ~ 2 min vor dem Abschalten; Dies verlängert die Lebensdauer des Katalysators.
6. Beide Ventile vor dem Mischen Abschlag zu blockieren. Dann schalten Sie das Hauptventil für das Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch.
7. Lassen Sie die Luft in der Wirbelschicht auf.

Katalysatoren sind Materialien, die Reaktionssystemen zugesetzt werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Da Katalysatoren bei der Reaktion nicht verbraucht werden, werden sie in vielen Prozessen im industriellen Maßstab eingesetzt. Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie einen alternativen mechanistischen Weg mit einer geringeren Aktivierungsenergie bereitstellen, die der minimalen Energie entspricht, die für den Ablauf einer Reaktion erforderlich ist. Katalytische Reaktionen können entweder homogen sein, d. h. der Katalysator und die Reaktanten befinden sich in derselben Phase, oder heterogen, d. h. der Katalysator und die Reaktanten befinden sich in unterschiedlichen Phasen. Typischerweise handelt es sich bei heterogenen Katalysatoren um feste, nanoskalige Einheiten, die auf einem Trägermaterial dispergiert sind. Die katalytische Reaktion beginnt mit der Adsorption der Reaktanten an das aktive Zentrum auf der Nanopartikeloberfläche, gefolgt von der Reaktion und der anschließenden Desorption der Produkte. Reaktoren, die heterogene Katalysatoren verwenden, sind von zentraler Bedeutung für mehrere Prozesse im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen. Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien von heterogenen Katalysatoren und katalytischen Reaktoren, demonstriert einen katalysierten Ethylenhydrierungsprozess im Pilotmaßstab und diskutiert einige Anwendungen.

Die gebräuchlichsten heterogenen Katalysatoren für Gasphasenreaktionen sind Übergangsmetall-Nanokristalle. Sie arbeiten häufig nach dem Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Dieser hypothetische Mechanismus beginnt damit, dass die Reaktanten an der Oberfläche des Katalysators adsorbieren, ihre Bindungselektronen in die leeren Orbitale der Übergangsmetallatome delokalisieren und dabei oft dissoziieren. Es können mehrere Zwischenschritte folgen, aber der Mechanismus endet mit einer biomolekularen Elementarreaktion, die die Produkte bildet, die dann von der Oberfläche des Katalysators desorbiert werden. Die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit hängt von der Geschwindigkeit des langsamsten Elementarschritts ab, die sich in Form der Gleichgewichtskonstanten der anderen Elementarschritte ausdrücken lässt. Wichtig ist, dass die Rate von der Verfügbarkeit einer katalytischen Reaktionsstelle abhängt, und die Katalysatoren werden hergestellt und unterstützt, um die Oberfläche zu maximieren. Nachdem Sie nun wissen, wie ein Katalysator auf atomarer Ebene funktioniert, sehen wir uns an, wie er in einem Pilotreaktor eingesetzt wird.

Für diese Reaktion verwenden wir einen röhrenförmigen Pfropfenströmungsreaktor, in dem Reaktanten kontinuierlich zugegeben und Produkte kontinuierlich entnommen werden. Der Reaktor ist ein mit Katalysator gefülltes Stahlrohr, das in einem elektrisch beheizten, temperierten Sandbad untergebracht ist. Die Reaktanten werden vor dem Eintritt in den Reaktor zu einem Misch-T-Stück mit konstantem Druck geleitet. Das Reaktorabwasser kann entlüftet oder zur Analyse in einen Gaschromatographen eingespeist werden. Die Durchflussmengen werden mit Blasenmessern und Rotametern überwacht. Aus Sicherheitsgründen sind verdünnte Reaktanten, Hochdruckbegrenzungsventile, Hochtemperaturabschalt-, Bypass- und Entlüftungssysteme sowie ein Leckdetektor für brennbare Gase installiert. Dieses System ist als Pfropfenflussreaktor geeignet modelliert, da hohe Umwandlungen und räumlich variable Reaktionsgeschwindigkeiten erwartet werden. Die Anwendung dieses Modells auf die Daten des Reaktorabflusses ergibt einen Ausdruck der Potenzgesetzrate für die katalysierte Reaktion. Dieser Ausdruck liefert eine Fülle von Informationen über den Katalysator und liefert experimentelle Beweise für den Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Das sind die Prinzipien, lassen Sie uns nun einen katalytischen Reaktor im Labor demonstrieren.

In dieser Demonstration wird Ethylen in einem katalytischen Reaktor zu Ethan hydriert. Der Reaktor ist mit einem Nickelkatalysator auf einem Siliziumdioxidträger sowie einem inerten Silikonkarbidfüllstoff gefüllt, um das Mischen zu gewährleisten. Starten Sie den Gaschromatographen bei geschlossenem Ventil an der Probeninjektionsöffnung. Laden Sie die entsprechenden Methoden. Lassen Sie dann die instrumentellen Parameter auf die erforderlichen Sollwerte ausgleichen. Schalten Sie den Luftstrom zum Sandbad ein und stellen Sie dann sicher, dass der Rotameter im Laufe des Eingriffs konstant zwischen fünf und sieben anzeigt. Schalten Sie die Reaktantenleitungen so um, dass sie durch den Blasenmesser verlaufen und den Gasfluss beginnen. Verwenden Sie den Blasenmesser, um die anfängliche Reaktanten-Durchflussrate einzustellen. Nachträgliche Durchflussanpassungen müssen nicht über den Blasenmesser gemessen werden. Überprüfen Sie anschließend die Zusammensetzung der Reaktanten, indem Sie die Reaktanten durch den Reaktorbypass und in den Einlassanschluss des Gaschromatographen fließen.

Die Reaktantengase können nun in den katalytischen Reaktor eingespeist werden. Schalten Sie die Sandbadheizung ein und geben Sie den Temperatursollwert ein. Standheizungen können mit automatischer Temperaturregelung verwendet werden, müssen jedoch bei Erreichen des Sollwerts manuell abgeschaltet werden, da sie nicht von der Steuerung geregelt werden. Wenn sich die Temperatur auf dem Sollwert stabilisiert hat, führen Sie die Reaktanten weiter in den Reaktor ein. Überwachen Sie regelmäßig die Durchflussmenge und die Temperatur des Produkts. Wenn der Produktfluss stoppt oder es zu einem Temperaturdurchlauf kommt, schließen Sie schnell die Reaktantenventile und schalten Sie alle Heizungen ab, aber halten Sie den Luftstrom zum Sandbad aufrecht. Entnehmen Sie regelmäßig Proben des gasförmigen Produkts für die Gaschromatographie. Das Verfahren erzeugt sequentielle Chromatogramme der Probenkomponenten einschließlich des nicht umgesetzten Gases. Schalten Sie den Reaktor ab, indem Sie die Not-Aus-Taste am Temperaturregler des Sandbads drücken. Stellen Sie den Ethylen-Durchflussregler auf null Prozent und schließen Sie alle Ventile. Warten Sie zwei Minuten, bevor Sie dasselbe mit dem Wasserstoff tun. Halten Sie den Luftstrom zum Sandbad aufrecht, bis es Raumtemperatur erreicht.

Die Reaktion wird sowohl unter ethylenbegrenzenden als auch unter wasserstofflimitierenden Bedingungen durchgeführt. Die Ethanproduktion wird bei unterschiedlichen Reaktantenkonzentrationen mittels Gaschromatographie gemessen. Diese Rohdaten werden in fraktionale Konversionen und Reaktantenraumzeiten umgewandelt. Die Daten werden auf Probe-Potenzgesetz-Ratenausdrücke regressiert, und es wird die beste Anpassung ausgewählt. In diesem Fall umfasst die beste Ratenausprägung die Ethylenkonzentration, die auf die erste Potenz angehoben wird, und die Wasserstoffkonzentration auf die Viertelpotenz. Dieser Ausdruck deutet darauf hin, dass Wasserstoff stark an den Katalysator adsorbiert, während Ethylen schwach adsorbiert. Es handelt sich um einen konsequent kinetisch gesteuerten Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus.

Katalytische Reaktoren im Pilotmaßstab werden in der Regel industriell eingesetzt, um die Auswirkungen von Katalysatoren und Reaktionsbedingungen auf die chemische Synthese zu untersuchen. Die Fischer-Tropsch-Synthese stellt Alkan und Alkanbrennstoffe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff her. Industriell wird es oft in einem Festbettreaktor unter Verwendung von Eisen-, Kobalt- oder Ruthenium-Katalysatoren durchgeführt. Die Reaktion ist nicht hoch selektiert und erzeugt mehrere Produkte durch eine Vielzahl von Reaktionswegen, die je nach Wahl des Katalysators variieren. Die Grundlagenforschung zu seinem Mechanismus und seiner Produktzusammensetzung wird fortgesetzt. Das Haber-Bosch-Verfahren nutzt Wasserstoff und Stickstoff zur Herstellung von Ammoniak, vor allem für Kunstdünger. Es handelt sich um einen energieintensiven Prozess, der durch Eisen oder seltener durch Kobalt-Molybdän-Legierungen katalysiert wird. Die Forschung an Katalysatoren mit langer Lebensdauer und hoher Selektivität schreitet voran, um die Stickstoffadsorptionsraten zu erhöhen, ohne sie zu deaktivieren und so den notwendigen Druck zu reduzieren. Dieser Prozess hat in der Vergangenheit die Theorie und Modellierung der heterogenen Katalyse vorangetrieben und ist heute Gegenstand des computergestützten Katalysatordesigns.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in heterogene katalysierte Reaktoren gesehen. Sie sollten nun mit dem grundlegenden Mechanismus der heterogenen Katalyse, einem Verfahren für den Betrieb eines Pilotreaktors und einigen Anwendungen vertraut sein. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen.