液相反応: しょ糖

Chemical Engineering

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Overview

ソース: ケリー ・ m ・ ドゥーリーとマイケル g. ベントン、工業化学科、ルイジアナ州立大学、バトン ルージュ, ルイジアナ

バッチと連続流反応器は、触媒反応で使用されます。固体触媒および連続的な流れを使用して、パックされたベッドは、最も一般的な構成です。充填層のような原子炉は、"流れ"をプラグインとして広範なリサイクル ストリームがない場合は、通常モデル化します。他の最も一般的な連続炉、撹拌槽、完全に混合すると仮定されます。1充填層反応器の有病率の理由の一つは、ほとんどの攪拌槽の設計とは異なりリアクター容積の比率に大きい壁領域はより急速な熱伝達を促進すること、です。ほぼすべての原子炉の熱の追加または撤退場所を取る望ましい反作用の温度を制御する必要があります。

簡単な 1st注文以上に複雑、2nd順序、教科書など反応触媒反応の速度論が多い。反応速度は物質移動の率によっても影響されます - 反応はどの反応が表面または製品を削除する - レートに供給されると熱伝達率より速く起こることができません。これらの理由から、実験、大規模な設備を設計する前に反応速度を決定するために必要なほとんど。この実験では、このような実験を行う方法および反応速度式と速度定数を見つけることによってそれらを解釈する方法を探る。

この実験では、しょ糖の動態を決定する充填層反応器の使用について説明します。この反応は、液相反応物質と製品固体触媒によって特徴付けられるそれらの典型的です。

ショ糖 → グルコース (ブドウ糖) + fructose(1)

充填層反応器は、滞留時間に関連し、バッチ反応器経過時間に似ています、宇宙の時間を制御する流量で運営されます。固体酸触媒は、他のイオンの存在のためプロトンを交換することによって準備最初。原子炉は反応の流れを所望の温度 (等温操作) に加熱されます。温度が平衡、製品サンプリングが開始されます。サンプルは、旋光計、旋光を測定によって分析されます。混合物の旋光は反応ショ糖および明白な速度定数に関して、反応の順序を決定する使用して標準的な動態解析におけるショ糖の変換に関連付けることができます。-ない軸方向混合 (プラグ流) 対いくつか軸方向混合 (シリーズの撹拌槽) - 流体力学の動態に及ぼす影響をも分析します。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 化学工学. 液相反応: しょ糖. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

連続攪拌槽原子炉 (CSTRs) と比較して、プラグ流反応器 (Pfr) が通常よりよい高速反応および熱効果に適しています。2ただし、圧力損失と「ホット スポット」の開発問題となります。したがって、触媒粒径が小さすぎてできず、注意してくださいスタートアップ手順を従う必要があります。

PFR は小さく、数が多いに数学的に等しい等しいサイズ CSTRs の総ボリュームまたは触媒の重量に一致するシステムのシリーズで。軸方向に発生した混合タンク、 N原子炉の操作を記述するために必要な数が減少します。モデルは「タンクのシリーズ」モデルと呼ばれます。Nと τ (時空) モデルの平均と分散居住から取得できることがありますパラメーターの時間分布 (E 曲線) リアクター。、PFR の平均を正確に、計算でき、分散はゼロ。実際の原子炉の τ を推定通常とモデル (式 2) から後退のN :

Equation 1(2)

」は、原子炉数 Cアオです (この場合はスクロース) で制限反応供給液濃度、ΔfAiは、攪拌槽で"A"小数の変換で変更と rAiはレートで反応タンク出口濃度で評価されます。このレートは正でなければなりません。シリーズで同じサイズの CSTRs は順序を決定するも使用できます質量収支を解く"A"の反応の実際の原子炉からのデータを使用して、温度を仮定して保つことができる合理的に一定とNが知られています。

触媒反応のフォワード レート方程式は、ほとんど触媒濃度の 1st順序および任意の反応物濃度のいくつかの肯定的な順序の 2 です。製品は時々 は実際よりも少なく表示されます反応の順序を引き起こす触媒を抑えることができます。でも反応はゼロに近い反応物の注文の結果、触媒を抑えることができます。これらの理由から、触媒反応はしばしば「べき乗則」モデルによって表現される:2

Equation 2(3)

どこEquation 3限定反応物質, 濃度である k' 明白な速度定数とEquation 4の見掛けの反応順序です。このモデルは触媒濃度が一定であることを前提とする (それは与えるための真の速度定数に吸収されるk')。実際の生活で触媒多くの場合無効、すなわち、C[モル酸サイト/gcat] の触媒毒の蓄積による減少します。1 つはいずれかのアカウントの非アクティブ化する必要がありますこのため (時間 onstream の機能として C・ エクスプレス) または (可能であれば) 触媒が比較的安定している期間にわたってデータを収集します。

しょ糖の動態はショ糖濃度で最初の注文と触媒サイトの濃度の一次通常あります。Lifshutz と Dranoff 報告 ~0.029 mL の第 2 順序率の定数k /(モル酸サイト • 分) 77 kJ/分子4の活性化エネルギーの 60 ° C でここで使用されるのような触媒のバイオフら報告 ~1.21 mL/(モル酸サイト • 分) と84 kJ/mol これらの条件で同じような触媒の活性化エネルギー。4 kの差はいくつかの要因から生じる: (a) 効果の熱と物質移動の動力学的研究;(b) 低流量分布;(c) 温度制御;触媒の活性化の状態の変化 (d)。

触媒反応の時空間 (滞留時間に似ています) は通常表されるtauW/Q、どこ W 触媒の重量であり、Q はフィードの体積流量を =。速度定数の単位は単位の時空間アカウントに調整されます (すなわち、1stの反応ユニットの注文 k、' 1 と同じになる/tau)。図 1 は、さまざまな動態注文両方 PFR におよび 2 つのタンクから成る戦車のシリーズ モデルでの反応の挙動を示します。肯定的なご注文は、PFR が常に優れているに注意してください。

Figure 1
図 1.(時空) 対 60 でいくつかのショ糖フィードのデータから派生した速度定数を用いたショ糖の変換分数の計算 ° C

砂糖の量を決定するには、化合物の試料による偏光の回転の程度を測定する、旋光計が使用されます。砂糖は、その光学活性、光を回転させる能力によって区別することができる光学異性体を持つ化合物の例です。旋光計は製品グルコースとフルクトースを左 (負の光学回転) に回転に対し反応ショ糖右 (正の光学回転) の光が回転するので特にこの実験中の濃度の測定に適しています。

Procedure

触媒のプロパティ: サイズ = 20-40 メッシュ重量 = 223 g。含水率 = 30 wt %;。見掛け (かさ) 密度 = 1.01 g/ミリリットルです。酸部位濃度 = 4.6 モル酸サイト/g 乾燥重量;面積 50 m2/g; =macroporosity (猫の孔隙量/排出量) = 0.34;平均孔径 = 80 nm。ユニットの P & ID ダイアグラムを図 2に示します。この実験だけベッド #1 有機物タンク、ポンプ、浮子式流量計が使用されます。サンプルは上のドレインで収集されます。T505 は温度コント ローラーです。

Figure 1
図 2.装置 (制御システム インターフェイス) の P & ID 表現します

1 原子炉の起動

  1. 分散制御システムのインターフェイスにアクセスします。メニュー項目の単位からパーマを選択します。パーマP & ID 概略 (図 2) が表示されます。すべてのデータは、Excel のスプレッドシートに収集することができます。時間に関して重要なプロセス変数を取得するためのインターフェイスを「トレンド 50」をクリックしてします。
  2. 触媒反応器ベッド (ベッド #1) に入口と出口のバルブを開きます。必ず他のベッドに入口と出口弁が閉じられている、制御弁 (F531) とバルブ (D531) 都市の水供給のオン ・ オフも閉じられます。
  3. 希薄な酸を追加 (0.25 M H2SO4) 給水タンク (2 L) に。
  4. 一定の速度 (少なくともダイヤルの 3) に給水ポンプをオンにし、所望の流量 (40-70 mL/分) を与える浮子式流量計を設定します。浮子式流量計は、この範囲内の流れをコントロールできない、次のより高い設定にポンプの速度が向上します。
  5. 酸が供給されて、一度、給水タンクに 200 mL 以上の水を追加します。陽子はどんな他のイオン (Na+、Ca2 +) の交換、酸は、スルホン酸陰イオンにアタッチされます。これは、・ ディ ・水にも不純物が含まれている水道水がさらに多く含まれているためにです。これは触媒の「再生」と呼ばれます。
  6. 15 wt % スクロースを DI 水原液の少なくとも 10 L を準備します。ショ糖液を準備しているとき、ゆっくりと室温で攪拌しながら水にショ糖を追加します。マグネチックスターラーとパドルを使用します。
  7. オーガニック タンクにフィードを追加します。

2. 充填層反応器操作

  1. ショ糖フィード フローを開始するには、ポンプをオンにして必要に応じてポンプのスピード コント ローラーと、浮子式流量計を使用して、流れを調整します。スピード コント ローラーは、浮子式流量計は、微調整に対し総調整のためです。
  2. T505 用 50 ° C に、setpoint をプログラムし、自動に設定。システムは、ベッドの温度が 90 ° C に達する場合、または圧力ドロップ d/p 送信機によって測定される下回る 1 インチ H2O カラムの圧力、フィードがないことを示すにヒーターを切断するプログラムです。
  3. 反作用のための典型的な温度は 60 ° C です。原子炉の温度は最初 50 ° C を超える、このセット ポイント最終的な温度を必要に応じて移動します。温度プロファイルは、熱電対 T502 と T503 を調べることによって視覚化することができます触媒のセクション全体観察ことがあります。
  4. 25 mL の試験管やサンプル瓶 10 分離れて上部排水で反応生成物のサンプルを収集します。(ベッド オープン ボリュームは ~1.2 L) 少なくとも 2 つベッド滞留時間が経過するまでは、サンプルを収集しません。

3. システムをシャット ダウンします。

  1. T-505、ベッド #1 温度制御手動で出力をゼロに設定します。
  2. 原子炉温度が低下し始める一度流れを遮断します。
  3. ベッド 1 ブロック バルブを閉じます。

4. 使用して、偏光計

反作用の製品サンプルと、偏光計とフィード初期分析します。フィード 15 重量 % ショ糖、変換が 80 に 120 mL/分純粋なサッカロースの範囲にする必要がありますは、ブドウ糖と果糖は、校正標準器として使用する必要があります。偏光計測の詳細については、付録を参照してください。

  1. ナトリウム ランプを点灯し、約 5 〜 10 分間のウォーム アップすること。黄色のライトが表示されます。
  2. ダイヤルのゼロの位置を確認します。ゼロでないダーク/ライト フリンジ付き制服ダーク フィールドを観察してください。
  3. クリーン チューブに初期フィード溶液 25 mL を追加します。チューブが完全にいっぱいであることを確認します。読書はパスの長さによって異なるので、校正と計測の両方の同じ管を使用します。
  4. 偏光計の管を配置します。チューブの視線から中の空気を削除する側と電球が接眼レンズの近くにする必要があります。
  5. カバーを閉じます。ソリューションは、偏光を回転し、暗い/明るい縞を観察して、レンズを通してください。
  6. ダイヤルを回して、縞が消えるし、制服の暗視野観察。
  7. バーニア スケールを使用して虫眼鏡を通して回転角度を読みます。ダイヤル部門各 1 度、各バーニア部は 0.05 °。フォーカスを調整するには、接眼部の下にある黒のダイヤルを回転します。
  8. サンプルごとに繰り返します。各測定前にチューブをきれいに純水を使用します。

化学反応は反応速度を高め、コンバージョンを改善するために触媒を用いた原子炉の様々 なタイプで遂行されます。反応速度は、温度に依存したがってそれは強く熱伝達によって影響を受けてです。また、反応速度が物質移動によってもたらされるは、反応は触媒表面に供給される反応の率より速く起こることができないので。したがって、充填層反応よくより優先されますバッチ炉急速な熱伝達がより可能になります。このビデオでは充填層反応器内の単純な反応の反応速度を解析しました。原子炉は、実際のシステムが期待されていることからしばしば逸脱論として実際の反応順序と親の速度定数を決定するために異なる条件下で運営されています。

充填層反応器のモデルを合計している多くの均等に大きさで分類された CSTRs のシリーズ充填層反応器のボリュームと触媒の重量と一致します。このモデルは、タンクのシリーズ モデルと呼びます、この方程式によって与えられます。ここでは、原子炉の数は CA0 は限定反応物質の供給濃度、FAI のデルタは小数の変換制限反応の変化。最後に、RAI は反応速度、必要なタンクの数、N は、タオは滞留時間。触媒反応のフォワード レートは、ほとんど触媒濃度に関して最初の注文と反応物濃度に関して 2 つ未満いくつか肯定的な順序です。ただし、触媒阻害は実際よりも少なく表示されます反応次数を引き起こす反応順序を変更できます。でも反応は、反応次数はゼロに近い表示を引き起こす触媒を抑えることができます。これらの理由から、触媒反応、力法律モデル K 首相は、見かけ速度定数、CA が限定反応物質の濃度、ベータは見掛けの反応順序で説明します。モデルは触媒濃度が一定であることを前提とします。ただし、実習では、触媒を無効にします。従って触媒濃度は、時間の関数としてモデル化する必要があります。次のデモンストレーションで固体触媒および液相反応製品に典型的な反応の反応速度を発揮します。反応には、ブドウ糖と果糖のしょ糖と呼ばれるにショ糖の内訳が含まれます。反応は通常最初順序スクロースし触媒サイトを考慮。速度定数は熱・物質移動、流速、温度、触媒の活性化によってもたらされます。したがって速度定数は、特定のシステムの実験的決定されます。今では我々 は、タンクのシリーズ モデルと反応速度を推測する方法を議論して、手順自体を見てをみましょう。

開始する前に、装置を理解します。スケマティックの生成にアクセスするメニュー項目単位からパーマを選択します。この実験では、ユニットは、分散制御システムを使用して運営されています。ベッド数 1 つ、オーガニック タンク、ポンプとのみ T505 温度コント ローラーが使用されます。トレンド 50、すべてのデータを選択することによって時間に関して重要なプロセス変数を入手し、スプレッドシートに収集することができます。今、入口を開くし、触媒反応器ベッド ナンバーワンにバルブを終了します。コントロール バルブ F531 とオン/オフ弁 D531、市の水の供給だけでなく、他のベッドに入口と出口の値が閉じられていることを確認します。

2 リットル タンクに希薄な酸を追加します。一定の速度に給水ポンプをオンにし、毎分 40 に 70 ミリリットルの目的フローを取得する浮子式流量計を設定します。浮子式流量計は、流れのこの範囲を到達できない場合、フィード ポンプの速度を上げます。スルホン酸の陰イオンとの相互作用は、ナトリウムやカルシウムなどの陽イオンを交換することによって触媒を再生成する脱イオン水の酸性とし、約 200 ミリリットルをフィードします。次に、フィードのショ糖液を準備し、オーガニック タンクに 1 リットルを加えます。ポンプをオンにします。ポンプと、浮子式流量計のスピード コント ローラーを使用すると、必要に応じて速度フローを調整できます。自動 50 ° c のセット ポイントを選択し T505 温度コント ローラーを設定します。システムが 50 度に達したら、最終的な温度は、反応を行って通常 60 度にセット ポイントを移動します。

まず、試験管を使って反応開始前にショ糖のサンプルを持っている最初のフィードの少なくとも 25 ミリリットルを収集します。2 つのベッドの滞留時間が経過し、10 分間隔であるドレインで 25 ミリのサンプルの 2 つのセットを収集するまで待ちます。これらのサンプルは、ポラリ メーターによる分析します。原子炉のシャット ダウンを開始するには、ゼロ出力に T505 を設定します。温度が降下を始め、一度原子炉をシャット ダウン、一人ベッドにブロック バルブを閉じます。今、ポラリ メーターを使用して、サンプルを分析します。旋光計は、炭水化物は光学異性体であり、ある程度偏光を回転させるために使用されます。ショ糖ブドウ糖溶液中、右側にライトが回転し、果糖が負の値を与える左に回転します。ナトリウム ランプを点灯、黄色の光が見られるまで待ちます。制服ダーク フィールドが、ダイヤルのゼロの位置で表示。チューブに反作用のサンプルの 25 ミリリットルを転送し上向きアイピースに近い電球偏光計にそれを配置し、カバーを閉じます。反作用のサンプルは、偏光を回転させる場合、明暗の縞をレンズを通して観察できます。ダイヤルを回して、縞は消え、均一の暗い領域を明らかにします。ブラック ダイヤルとショ糖の分数の変換を決定する虫眼鏡を通して回転角度を読むバーニア スケールを使用してフォーカスを調整します。

今充填層反応器によるショ糖の小数部の変換率の定数決定法を見てみましょう。各砂糖の特定回転 D は文献で見つけることができ、測定の回転と濃度に相関しています。濃度は、小数の変換を決定する使用されます。このデータはここでは、表示の回転角度に対してプロットされます。スクロース濃度が高いほど、回転の正度が高い。反応が進行してショ糖をブドウ糖と果糖に変換すると回転の肯定的な角度が減少します。今摂氏 60 度しょ糖の反応速度を見てをみましょう。触媒の最初の順序の扶養家族を無視する各供給濃度の擬似最初順序定数 K 総理を計算します。2 番目の注文速度定数 K の 2 つを与える触媒の濃度で擬似最初順序率の定数を割って触媒の最初の順序の依存性のため、アカウントします。取得したデータの実際の反応次数を決定するには、開始 w. 触媒の重量に対する充填層反応器の一般化されたほくろバランス各反応次数の方程式を決定します。非線型回帰を使用して、データをこれらの方程式に適合し、適合性を評価するため誤差の 2乗の和を決定します。今最初順序の反作用のためのタンクのシリーズ モデルにデータをフィットし、必要なタンクの数を決定します。反応が理想的な充填層反応器動作から逸脱することを示唆しているタンクの小さい数が計算されます。これは最も可能性の高い軸方向混合と炉内温度の変動に起因します。最後に、最初など、さまざまな運動の注文の反応挙動を比較することができます、2 番目の注文パック 2 つのタンクから成る最初と 2 番目の順序でのタンク シリーズ モデルとベッド炉モデル。15 重量パーセント, ショ糖の既知のデータ ポイントと一致、最初順序充填層反応器モデルの詳細小数の変換が密接に観察された動作を表すは明らかです。

固体触媒は、彼らは最も重要なフィールドの 1 つを現代の技術として幅広いアプリケーションと原子炉のセットアップで使用されます。流動層反応器は、液体で中断される固体触媒を利用しています。流体、通常ガスまたは液体はそれらを中断し、液体のように振る舞うように十分に高い速度で固体触媒粒子を介して渡されます。原子炉のこれらのタイプは、多くの異なるアプリケーションであるリグノ セルロース系バイオマスの熱分解のため使用できます。この過程で、バイオマスの熱分解は酸素バイオ オイルの結果発生します。触媒性能作動温度反応を用いて測定できる条件によって異なります。温度反応にはリアクター排水の連続監視と反応温度の着実な増加が含まれます。パフォーマンス、温度の最適な動作温度の測定を可能にする相関しています。

ゼウスの触媒反応のための充填層リアクター入門を見てきただけ。反応の動態を分析する方法とタンクのシリーズ モデルを使用して動作をモデル化する方法を理解する必要があります今。見ていただきありがとうございます。

Results

3p-d-11 充填層反応器内の反応後ショ糖の小数部の変換を決定します。3 つの異なるスクロース フィード前旋光計校正は図 3に示します。

Figure 3
図 3.回転角度と異なる供給濃度のショ糖の小数部の変換の関係

サンプル データは、さまざまなショ糖濃度をフィードで 60 ° C で反応の図 4で示されます。小数の変換は、次の式を使用して、D は、偏光の回転の度偏光計較正曲線から直接算出しました。

    Equation 5(4)

Figure 4
図 4.60 ° c、ショ糖反転反応 100 mL/分の送り速度です。

0と 1st順序反応の両方で、PFR で変換は供給濃度に依存しません。2また、 k' 1st順序キネティクスのバリアントにする必要があります。PFR に原子炉を仮定すると、2nd順序率の定数、 k2 (mL/モル サイト • 分)、によって決定された会計 1st注文依存性触媒と擬似 1st順序率の定数のk' (mL/g• 分) は、触媒の 1st順序依存性を無視することによって決定されました。擬似の結果k'の計算は図 4にプロットされます。K2の値は、分割によって発見されたk'触媒 (モル酸サイト/g) 前述の濃度で。

Equation 6(5)

ショ糖、質量収支の非線形回帰で 1.5 または 2nd順序が使用されたと誤差の 2乗の合計は、すべての実行の 3 つの最小化された反応速度は 0、0.5、1 に近づいていた、かどうかを確認します。非線形回帰を使用するために目的関数を統合 PFR マスバランスとそれぞれ反応順序に基づいて策定しました。たとえば、以下のショ糖濃度 1.5 運動順序の目的関数です。

Equation 7(6)

他の目的関数は、すべての速度論の教科書で見つけることができます標準 PFR マスバランス ソリューションから作り出すことができます。2図 4に実験データが統合 1、PFR 物質収支に合うスクロースに関して 1.5 と 2 の注文。3 反応注文の誤差の 2乗の合計は、それぞれ 0.39 0.16、1.3 をあると判断されました。したがって、ベスト フィットの n をことがわかった 1.5 順序を =。これは、ため、k' 35 (mL/g猫 •分) の値。

当初考えた速度がショ糖 1st順序。2-3は、この仮定を使用して、1 つは等しいボリューム CSTRs、この原子炉をモデル化するために必要な一連のNの数を決定できます。両方のNを決定するすべての 3 つの動作が最小化されたために大量のバランスでのエラーを 2乗の和再びとk'。データは、1st順序反作用のためタンクのシリーズ モデルにピッタリだった。

Equation 8(7)

それが発見されたN = 2.1「タンク」とk' = 0.62 mL/g猫 •分。反応次数が 1 正確ではないので、これは偉大なフィットではありません。データは、ショ糖の順序 > 1 をお勧めします。FAの相対標準偏差はせいぜい 2% (高 9 ° c) 温度の変化によって容易に説明される.触媒の活性劣化の証拠はありませんでした。両方 PFR のシリーズの 2 つの CSTR タンクの小数部の変換は、非線形回帰から k を使用して、図 1のプロットに計算しました。Zeroth 順序の速度はショ糖濃度に依存しないのでシリーズの PFR と CSTRs の違いはないです。6 以上の CSTRs の曲線が描かれていた、彼らは PFR 曲線とに密接に一致しているでしょう。シリーズの 2 つの CSTR タンクの予測分数変換、反応のすべての注文の PFR よりも遅くなります。15 wt % ショ糖の実験データは PFR に一次反応に実際に近いです。

K のエラー '計算された k の違いを比較することによって推定することができます' 反応、アレニウスの式を使って、2 つの文学の活性化エネルギーを平均 60 の ° C の温度を平均気温偏差 (4.5 ° C) での値です。推定 k' 1.5 順序 64.5 ° C で反応は 52 (mL/mol)0.5 mL • gcat-1 • 分-1、後退値 35 (mL/mol)0.5 mL • gcat-1 • 分-1よりほぼ 50% であります。温度のわずかな変化を及ぼします k' 大幅。

Applications and Summary

反応がで明白な順序の n > 1 に期待どおりに動作しません。実際の原子炉のような逸脱を引き起こす可能性が現象の軸方向混合による理想的な PFR の行動からの偏差によって提案されるタンクのシリーズ モデルへのフィッティングでは、完璧な PFR のタンク - 数が少ない事実 N は少なくとも 6 をする必要があります。.このような逸脱は、流れ (いくつかの水が原子炉の気化) 多相の場合に特に多くの場合比較的短いベッドで発見されます。しかし、偏差の別の原因はおそらくさらに重要なより少なく明白です。反応は非常に発熱と温度振動限り 9 ° C (たいがい上記セット ポイント) で述べたように。多くの熱が生成されるフィードでより多くのサッカロース。期待されるかもしれない振動最も有意フィード 20 wt % であった。これは、明白な順序に n > 1 の別の理由を示唆している: フィードの高濃度で生成されたより多くの熱増加原子炉温度より多く派生の明白な順序の結果として反応速度が増加 > 実際の順序。不十分な恒温炉温度は断熱の制限に増加します。流れと温度の両方に理想的な PFR の行動からの偏差は、流体の流れのパイロット プラントの状態を再現し、熱伝達に注意原子炉スケール アップ プレミアムを入れて実際の原子炉から派生した明白な速度に影響を与えます。

充填層原子炉化学工業で多くの用途があります。硫酸、何百もの異なる製品に使用される化学物質は、一部シリーズの充填層化学反応装置を使用してよく製造されています。2 億トン以上は毎年作り出されます。この反応は、固定床炉シリーズ (全熱除去のため中間熱交換器) を二酸化硫黄および大気を通過します。 高温でサポートされているバナジウム酸化物触媒を含みます。4 SO2など3、酸化は、水に吸収され、硫酸になります。

充填層炉より最近使用 transesterifying トリグリセリド、またはエステル化脂肪酸、メタノール、バイオディーゼルの生産でです。バイオディーゼル燃料は、さまざまな方法で生成される、充填層炉連続生産に有利なことができます。バイオディーゼル燃料は、藻類や廃棄物の食品から製作されているので、それは非毒性と生分解性、再生可能エネルギー源と見なされます。関係なく、使用済み触媒、それする必要があります徹底的にパージ製品から反応後も少量の燃料使用できなくなりますを表示できるため。5

付録、ポラリ メーターを使用して-
偏光計測する物質は、平面偏光光 (1 つの平面でのみ振動波から成っている光) と対話する程度を測定します。それは、左、右、またはすべてではないに偏光を回転できます。偏光を左または右に回転させ、「光学活性」です。化合物が不斉中心を持たない場合偏光回転しないでしょう。度と回転の方向の数を測定して、観測された回転を与えます。観測された回転を使用するセルの長さと溶液の濃度は、次の式を使用しての修正します。
Equation 9(A1)
場所: 特定回転 (度) (文献値) = l = パスの長さ (dm) と c = 濃度 (g/mL)。
未知化合物の同定を支援比較修正する文献値の回転を観察します。しかし、化合物が知られている場合、濃度を観測された回転を洗い出し、未知数の校正標準を準備するが一般的です。

References

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触媒のプロパティ: サイズ = 20-40 メッシュ重量 = 223 g。含水率 = 30 wt %;。見掛け (かさ) 密度 = 1.01 g/ミリリットルです。酸部位濃度 = 4.6 モル酸サイト/g 乾燥重量;面積 50 m2/g; =macroporosity (猫の孔隙量/排出量) = 0.34;平均孔径 = 80 nm。ユニットの P & ID ダイアグラムを図 2に示します。この実験だけベッド #1 有機物タンク、ポンプ、浮子式流量計が使用されます。サンプルは上のドレインで収集されます。T505 は温度コント ローラーです。

Figure 1
図 2.装置 (制御システム インターフェイス) の P & ID 表現します

1 原子炉の起動

  1. 分散制御システムのインターフェイスにアクセスします。メニュー項目の単位からパーマを選択します。パーマP & ID 概略 (図 2) が表示されます。すべてのデータは、Excel のスプレッドシートに収集することができます。時間に関して重要なプロセス変数を取得するためのインターフェイスを「トレンド 50」をクリックしてします。
  2. 触媒反応器ベッド (ベッド #1) に入口と出口のバルブを開きます。必ず他のベッドに入口と出口弁が閉じられている、制御弁 (F531) とバルブ (D531) 都市の水供給のオン ・ オフも閉じられます。
  3. 希薄な酸を追加 (0.25 M H2SO4) 給水タンク (2 L) に。
  4. 一定の速度 (少なくともダイヤルの 3) に給水ポンプをオンにし、所望の流量 (40-70 mL/分) を与える浮子式流量計を設定します。浮子式流量計は、この範囲内の流れをコントロールできない、次のより高い設定にポンプの速度が向上します。
  5. 酸が供給されて、一度、給水タンクに 200 mL 以上の水を追加します。陽子はどんな他のイオン (Na+、Ca2 +) の交換、酸は、スルホン酸陰イオンにアタッチされます。これは、・ ディ ・水にも不純物が含まれている水道水がさらに多く含まれているためにです。これは触媒の「再生」と呼ばれます。
  6. 15 wt % スクロースを DI 水原液の少なくとも 10 L を準備します。ショ糖液を準備しているとき、ゆっくりと室温で攪拌しながら水にショ糖を追加します。マグネチックスターラーとパドルを使用します。
  7. オーガニック タンクにフィードを追加します。

2. 充填層反応器操作

  1. ショ糖フィード フローを開始するには、ポンプをオンにして必要に応じてポンプのスピード コント ローラーと、浮子式流量計を使用して、流れを調整します。スピード コント ローラーは、浮子式流量計は、微調整に対し総調整のためです。
  2. T505 用 50 ° C に、setpoint をプログラムし、自動に設定。システムは、ベッドの温度が 90 ° C に達する場合、または圧力ドロップ d/p 送信機によって測定される下回る 1 インチ H2O カラムの圧力、フィードがないことを示すにヒーターを切断するプログラムです。
  3. 反作用のための典型的な温度は 60 ° C です。原子炉の温度は最初 50 ° C を超える、このセット ポイント最終的な温度を必要に応じて移動します。温度プロファイルは、熱電対 T502 と T503 を調べることによって視覚化することができます触媒のセクション全体観察ことがあります。
  4. 25 mL の試験管やサンプル瓶 10 分離れて上部排水で反応生成物のサンプルを収集します。(ベッド オープン ボリュームは ~1.2 L) 少なくとも 2 つベッド滞留時間が経過するまでは、サンプルを収集しません。

3. システムをシャット ダウンします。

  1. T-505、ベッド #1 温度制御手動で出力をゼロに設定します。
  2. 原子炉温度が低下し始める一度流れを遮断します。
  3. ベッド 1 ブロック バルブを閉じます。

4. 使用して、偏光計

反作用の製品サンプルと、偏光計とフィード初期分析します。フィード 15 重量 % ショ糖、変換が 80 に 120 mL/分純粋なサッカロースの範囲にする必要がありますは、ブドウ糖と果糖は、校正標準器として使用する必要があります。偏光計測の詳細については、付録を参照してください。

  1. ナトリウム ランプを点灯し、約 5 〜 10 分間のウォーム アップすること。黄色のライトが表示されます。
  2. ダイヤルのゼロの位置を確認します。ゼロでないダーク/ライト フリンジ付き制服ダーク フィールドを観察してください。
  3. クリーン チューブに初期フィード溶液 25 mL を追加します。チューブが完全にいっぱいであることを確認します。読書はパスの長さによって異なるので、校正と計測の両方の同じ管を使用します。
  4. 偏光計の管を配置します。チューブの視線から中の空気を削除する側と電球が接眼レンズの近くにする必要があります。
  5. カバーを閉じます。ソリューションは、偏光を回転し、暗い/明るい縞を観察して、レンズを通してください。
  6. ダイヤルを回して、縞が消えるし、制服の暗視野観察。
  7. バーニア スケールを使用して虫眼鏡を通して回転角度を読みます。ダイヤル部門各 1 度、各バーニア部は 0.05 °。フォーカスを調整するには、接眼部の下にある黒のダイヤルを回転します。
  8. サンプルごとに繰り返します。各測定前にチューブをきれいに純水を使用します。

化学反応は反応速度を高め、コンバージョンを改善するために触媒を用いた原子炉の様々 なタイプで遂行されます。反応速度は、温度に依存したがってそれは強く熱伝達によって影響を受けてです。また、反応速度が物質移動によってもたらされるは、反応は触媒表面に供給される反応の率より速く起こることができないので。したがって、充填層反応よくより優先されますバッチ炉急速な熱伝達がより可能になります。このビデオでは充填層反応器内の単純な反応の反応速度を解析しました。原子炉は、実際のシステムが期待されていることからしばしば逸脱論として実際の反応順序と親の速度定数を決定するために異なる条件下で運営されています。

充填層反応器のモデルを合計している多くの均等に大きさで分類された CSTRs のシリーズ充填層反応器のボリュームと触媒の重量と一致します。このモデルは、タンクのシリーズ モデルと呼びます、この方程式によって与えられます。ここでは、原子炉の数は CA0 は限定反応物質の供給濃度、FAI のデルタは小数の変換制限反応の変化。最後に、RAI は反応速度、必要なタンクの数、N は、タオは滞留時間。触媒反応のフォワード レートは、ほとんど触媒濃度に関して最初の注文と反応物濃度に関して 2 つ未満いくつか肯定的な順序です。ただし、触媒阻害は実際よりも少なく表示されます反応次数を引き起こす反応順序を変更できます。でも反応は、反応次数はゼロに近い表示を引き起こす触媒を抑えることができます。これらの理由から、触媒反応、力法律モデル K 首相は、見かけ速度定数、CA が限定反応物質の濃度、ベータは見掛けの反応順序で説明します。モデルは触媒濃度が一定であることを前提とします。ただし、実習では、触媒を無効にします。従って触媒濃度は、時間の関数としてモデル化する必要があります。次のデモンストレーションで固体触媒および液相反応製品に典型的な反応の反応速度を発揮します。反応には、ブドウ糖と果糖のしょ糖と呼ばれるにショ糖の内訳が含まれます。反応は通常最初順序スクロースし触媒サイトを考慮。速度定数は熱・物質移動、流速、温度、触媒の活性化によってもたらされます。したがって速度定数は、特定のシステムの実験的決定されます。今では我々 は、タンクのシリーズ モデルと反応速度を推測する方法を議論して、手順自体を見てをみましょう。

開始する前に、装置を理解します。スケマティックの生成にアクセスするメニュー項目単位からパーマを選択します。この実験では、ユニットは、分散制御システムを使用して運営されています。ベッド数 1 つ、オーガニック タンク、ポンプとのみ T505 温度コント ローラーが使用されます。トレンド 50、すべてのデータを選択することによって時間に関して重要なプロセス変数を入手し、スプレッドシートに収集することができます。今、入口を開くし、触媒反応器ベッド ナンバーワンにバルブを終了します。コントロール バルブ F531 とオン/オフ弁 D531、市の水の供給だけでなく、他のベッドに入口と出口の値が閉じられていることを確認します。

2 リットル タンクに希薄な酸を追加します。一定の速度に給水ポンプをオンにし、毎分 40 に 70 ミリリットルの目的フローを取得する浮子式流量計を設定します。浮子式流量計は、流れのこの範囲を到達できない場合、フィード ポンプの速度を上げます。スルホン酸の陰イオンとの相互作用は、ナトリウムやカルシウムなどの陽イオンを交換することによって触媒を再生成する脱イオン水の酸性とし、約 200 ミリリットルをフィードします。次に、フィードのショ糖液を準備し、オーガニック タンクに 1 リットルを加えます。ポンプをオンにします。ポンプと、浮子式流量計のスピード コント ローラーを使用すると、必要に応じて速度フローを調整できます。自動 50 ° c のセット ポイントを選択し T505 温度コント ローラーを設定します。システムが 50 度に達したら、最終的な温度は、反応を行って通常 60 度にセット ポイントを移動します。

まず、試験管を使って反応開始前にショ糖のサンプルを持っている最初のフィードの少なくとも 25 ミリリットルを収集します。2 つのベッドの滞留時間が経過し、10 分間隔であるドレインで 25 ミリのサンプルの 2 つのセットを収集するまで待ちます。これらのサンプルは、ポラリ メーターによる分析します。原子炉のシャット ダウンを開始するには、ゼロ出力に T505 を設定します。温度が降下を始め、一度原子炉をシャット ダウン、一人ベッドにブロック バルブを閉じます。今、ポラリ メーターを使用して、サンプルを分析します。旋光計は、炭水化物は光学異性体であり、ある程度偏光を回転させるために使用されます。ショ糖ブドウ糖溶液中、右側にライトが回転し、果糖が負の値を与える左に回転します。ナトリウム ランプを点灯、黄色の光が見られるまで待ちます。制服ダーク フィールドが、ダイヤルのゼロの位置で表示。チューブに反作用のサンプルの 25 ミリリットルを転送し上向きアイピースに近い電球偏光計にそれを配置し、カバーを閉じます。反作用のサンプルは、偏光を回転させる場合、明暗の縞をレンズを通して観察できます。ダイヤルを回して、縞は消え、均一の暗い領域を明らかにします。ブラック ダイヤルとショ糖の分数の変換を決定する虫眼鏡を通して回転角度を読むバーニア スケールを使用してフォーカスを調整します。

今充填層反応器によるショ糖の小数部の変換率の定数決定法を見てみましょう。各砂糖の特定回転 D は文献で見つけることができ、測定の回転と濃度に相関しています。濃度は、小数の変換を決定する使用されます。このデータはここでは、表示の回転角度に対してプロットされます。スクロース濃度が高いほど、回転の正度が高い。反応が進行してショ糖をブドウ糖と果糖に変換すると回転の肯定的な角度が減少します。今摂氏 60 度しょ糖の反応速度を見てをみましょう。触媒の最初の順序の扶養家族を無視する各供給濃度の擬似最初順序定数 K 総理を計算します。2 番目の注文速度定数 K の 2 つを与える触媒の濃度で擬似最初順序率の定数を割って触媒の最初の順序の依存性のため、アカウントします。取得したデータの実際の反応次数を決定するには、開始 w. 触媒の重量に対する充填層反応器の一般化されたほくろバランス各反応次数の方程式を決定します。非線型回帰を使用して、データをこれらの方程式に適合し、適合性を評価するため誤差の 2乗の和を決定します。今最初順序の反作用のためのタンクのシリーズ モデルにデータをフィットし、必要なタンクの数を決定します。反応が理想的な充填層反応器動作から逸脱することを示唆しているタンクの小さい数が計算されます。これは最も可能性の高い軸方向混合と炉内温度の変動に起因します。最後に、最初など、さまざまな運動の注文の反応挙動を比較することができます、2 番目の注文パック 2 つのタンクから成る最初と 2 番目の順序でのタンク シリーズ モデルとベッド炉モデル。15 重量パーセント, ショ糖の既知のデータ ポイントと一致、最初順序充填層反応器モデルの詳細小数の変換が密接に観察された動作を表すは明らかです。

固体触媒は、彼らは最も重要なフィールドの 1 つを現代の技術として幅広いアプリケーションと原子炉のセットアップで使用されます。流動層反応器は、液体で中断される固体触媒を利用しています。流体、通常ガスまたは液体はそれらを中断し、液体のように振る舞うように十分に高い速度で固体触媒粒子を介して渡されます。原子炉のこれらのタイプは、多くの異なるアプリケーションであるリグノ セルロース系バイオマスの熱分解のため使用できます。この過程で、バイオマスの熱分解は酸素バイオ オイルの結果発生します。触媒性能作動温度反応を用いて測定できる条件によって異なります。温度反応にはリアクター排水の連続監視と反応温度の着実な増加が含まれます。パフォーマンス、温度の最適な動作温度の測定を可能にする相関しています。

ゼウスの触媒反応のための充填層リアクター入門を見てきただけ。反応の動態を分析する方法とタンクのシリーズ モデルを使用して動作をモデル化する方法を理解する必要があります今。見ていただきありがとうございます。

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