4.14: Katalitik Reaktör: Etilenin Hidrojenasyonu

Sistem, ticari bir dağıtılmış kontrol sistemi aracılığıyla kontrol edilir; Sadece bir operatör arayüzü vardır.

1. Reaktör Başlatma

1. Gerçek zamanlı işlem geçmişi görünümünü başlatmak için İşlem Geçmişi Görünümü > DeltaV > Başlat > Başlat'a gidin ve CATUnitOverview'ı açın. Grafik ölçekleri, menü çubuğundaki bu düğmelere tıklanarak sıkıştırılabilir veya genişletilebilir. Kontrol sisteminden bir Excel elektronik tablosuna veri indirme prosedürleri bilgisayarda mevcuttur.
2. Kum banyosunun havasının açık olduğundan emin olun. Rotametre ≈5 veya daha yüksek bir değer okumalı ve tutarlı bir ısıtma sağlamak için koşudan koşuya sabit tutulmalıdır.
3. CAT ünitesinin panel kartındaki siyah renkli BAŞLAT düğmesine basarak kum banyosu ısıtıcısına giden ana gücü etkinleştirin.
4. Sıcaklık kontrol cihazını (kum banyosu için TIC-10) istenen ilk ayar noktasına, modu OTOMATİK olarak ayarlayın. Deneyin başında hızlı ısıtmayı kullanmak için Ek A'ya bakın.
5. Sıcaklıklar grafikte izlenebilir. Reaktör çıkış suyu akış hızı periyodik olarak kontrol edilmelidir. Akış kaybı veya kaçak sıcaklık gibi sorunlar ortaya çıkarsa, uygun kapatma vanalarını kullanarak her iki reaktan akışını kapatın ve tüm ısıtıcıları kapatın. Kum banyosu havasını açık bırakın.

2. Akış Hızlarını Ayarlayın

Isıtmadan önce akış hızlarını ayarlayın. Hidrojen-nitrojen karışımı için FIC-301 ve etilen için FIC-302 olmak üzere iki akış kontrolörü için kalibrasyonlar sağlanacaktır.

1. Bilgisayar kullanımını belirtmek için bilgisayarın mı yoksa panel kartının mı kullanılacağını belirten arayüzdeki dijital değeri 1 olarak ayarlayın.
2. GC örnek satırını engelleyin.
3. Bir kabarcık ölçerde iki hacim arasındaki tek bir baloncuğun yükselme hızını zamanlayarak hacimsel akış hızını belirleyin. Kabarcık ölçer, dereceli hacimlere sahip bir cam bürettir. Kabarcık ölçer akışı ölçmek için aktif olarak kullanıldığında (kalibrasyon, çıkış akış hızının kontrol edilmesi) GC numune hattının bloke olduğundan emin olun.
4. Bileşimini kontrol etmek için baypastan (boş bir numune) en az bir besleme numunesi alın. Reaktörü atlamadan akış hızlarını anında değiştirmek sorun değil. Akış hızlarının değiştirilmesi aynı zamanda beslemenin nispi konsantrasyonlarını da değiştirir (basınç sabittir), bu nedenle akış hızlarının sık sık değiştirilmesi gerekecektir.
5. GC numune hattının blokajını kaldırın ve reaktanları reaktör baypasından GC giriş portuna akıtın.
6. Gaz ürünü bileşimini analiz etmek için bir gaz kromatografı kullanın. GC'nin nasıl çalıştırılacağı ve bileşimin nasıl belirleneceği ile ilgili daha fazla talimat Ek B'de yer almaktadır.

3. Reaktörün Kapatılması

1. Kırmızı EMERG'i iterek kum banyosu ısıtıcısına giden ana gücü kapatın. CAT ünitesinin panel kartındaki STOP düğmesi.
2. TIC-10'u MAN moduna getirin ve çıkışı %0'a ayarlayın. Yardımcı gücü (açıksa) %0'a ayarlayın.
3. Kontrolörü MAN'a koyarak ve çıkışı %0'a ayarlayarak etilen akışını %0'a ayarlayın.
4. Karıştırma teesinden önce her iki etilen blok vanasını kapatın ve ana gaz tüpü vanasını kapatın.
5. Kapatmadan önce hidrojen/nitrojenin ~2 dakika akmasına izin verin; Bu, katalizörün ömrünü uzatacaktır.
6. Karıştırma tişörtünden önce her iki valfi de bloke edin. Ardından hidrojen/nitrojen karışımı için ana vanayı kapatın.
7. Havayı akışkan yatağa bırakın.

Katalizörler, reaksiyon hızını artırmak için reaksiyon sistemlerine eklenen malzemelerdir. Katalizörler reaksiyonda tüketilmediğinden, birçok endüstriyel ölçekli proseste kullanılırlar. Katalizörler, bir reaksiyonun ilerlemesi için gereken minimum enerji olan daha düşük aktivasyon enerjisine sahip alternatif bir mekanik yol sağlayarak reaksiyon hızını artırır. Katalitik reaksiyonlar homojen olabilir, yani katalizör ve reaktanlar aynı fazdadır veya heterojen olabilir, yani katalizör ve reaktanlar farklı fazlarda olabilir. Tipik olarak, heterojen katalizörler, bir destek malzemesi üzerinde dağılmış katı, nano ölçekli varlıklardır. Katalitik reaksiyon, reaktanların nano parçacık yüzeyindeki aktif bölgeye adsorpsiyonu ile başlar, ardından reaksiyon ve ardından ürünlerin desorpsiyonu ile başlar. Heterojen katalizörler kullanan reaktörler, hidrokarbon yakıtların üretimi gibi çeşitli endüstriyel ölçekli süreçlerin merkezinde yer alır. Bu video, heterojen katalizörlerin ve katalitik reaktörlerin ilkelerini göstermekte, pilot ölçekli katalizli etilen hidrojenasyon sürecini göstermekte ve bazı uygulamaları tartışmaktadır.

Gaz fazı reaksiyonları için en yaygın heterojen katalizörler geçiş metali nanokristalleridir. Sıklıkla Langmuir-Hinshelwood Mekanizması ile çalışırlar. Bu varsayımsal mekanizma, reaktanların katalizörün yüzeyine adsorbe olması, bağ elektronlarını geçiş metali atomlarının boş orbitallerine delokalize etmesi ve genellikle işlem sırasında ayrışması ile başlar. Birkaç ara adım takip edebilir, ancak mekanizma, daha sonra katalizörün yüzeyinden desorbe olan ürünleri oluşturan bir biyomoleküler temel reaksiyonla sona erer. Genel reaksiyon hızı, diğer temel adımların denge sabitleri cinsinden ifade edilebilen en yavaş temel adımın hızına bağlıdır. Daha da önemlisi, oran katalitik reaktif bölgenin mevcudiyetine bağlıdır ve yüzey alanını en üst düzeye çıkarmak için katalizörler üretilir ve desteklenir. Artık bir katalizörün atomik düzeyde nasıl çalıştığını bildiğinize göre, bir pilot reaktör kurulumunda nasıl kullanıldığını görelim.

Bu reaksiyon için, reaktanların sürekli olarak eklendiği ve ürünlerin sürekli olarak geri çekildiği boru şeklinde bir tapa akış reaktörü kullanıyoruz. Reaktör, katalizörle dolu çelik bir borudur, elektrikle ısıtılan sıcaklık kontrollü bir kum banyosunda bulunur. Reaktanlar, reaktöre girmeden önce sabit basınçlı bir karıştırma tişörtüne borulanır. Reaktör atık suyu havalandırılabilir veya analiz için bir gaz kromatografına girilebilir. Akış hızları, kabarcık ölçerler ve rotametreler kullanılarak izlenir. Güvenlik için, seyreltilmiş reaktanlar, yüksek basınç tahliye vanaları, yüksek sıcaklıkta kapatma, baypas ve havalandırma sistemleri ve yanıcı bir gaz kaçağı dedektörü monte edilmiştir. Bu sistem, yüksek dönüşümler ve uzamsal olarak değişken reaksiyon hızları beklendiğinden, bir tıkaç akışlı reaktör olarak uygun şekilde modellenmiştir. Bu modeli reaktör çıkış suyu verilerine uygulamak, katalize edilen reaksiyon için bir güç yasası oranı ifadesi verir. Bu ifade, katalizör hakkında zengin bilgi sağlar ve Langmuir-Hinshelwood Mekanizması için deneysel kanıtlar sağlar. Prensipler bunlar, şimdi laboratuvarda bir katalitik reaktör gösterelim.

Bu gösteride etilen, etan oluşturmak için bir katalitik reaktörde hidrojene edilir. Reaktör, bir silika desteği üzerinde nikel katalizörü ve ayrıca karıştırmayı sağlamak için inert bir silikon karbür dolgu maddesi ile paketlenmiştir. Numune enjeksiyon portundaki valf kapalıyken gaz kromatografını başlatın. Uygun yöntemleri yükleyin. Ardından, enstrümantal parametrelerin gerekli ayar noktalarına dengelenmesine izin verin. Kum banyosuna giden hava akışını açın, ardından rotametrenin prosedür boyunca sürekli olarak beş ile yedi arasında okuduğundan emin olun. Kabarcık ölçerden geçmek ve gaz akışına başlamak için reaktan hatlarını değiştirin. İlk reaktan akış hızını ayarlamak için kabarcık ölçeri kullanın. Sonraki akış hızı ayarlamalarının kabarcık ölçer aracılığıyla ölçülmesine gerek yoktur. Ardından, reaktanları reaktör baypasından ve gaz kromatograf giriş portuna akıtarak reaktan bileşimini kontrol edin.

Reaktan gazlar artık katalitik reaktöre girilebilir. Kum banyosu ısıtıcısını açın ve sıcaklık ayar noktasına girin. Yardımcı ısıtıcılar otomatik sıcaklık kontrolü ile kullanılabilir, ancak ayar noktasına ulaşıldığında kontrol sistemi tarafından yönetilmedikleri için manuel olarak kapatılmalıdırlar. Sıcaklık ayar noktasında stabilize olduğunda, reaktanları reaktöre beslemeye devam edin. Ürün akış hızını ve sıcaklığını düzenli olarak izleyin. Ürün akışı durursa veya sıcaklık kaçışı meydana gelirse, reaktan valflerini hızlı bir şekilde kapatın ve tüm ısıtıcıları kapatın, ancak kum banyosuna hava akışını koruyun. Gaz kromatografisi için düzenli olarak gaz halindeki üründen numune alın. Yöntem, reaksiyona girmemiş herhangi bir gaz da dahil olmak üzere numune bileşenlerinin sıralı kromatogramlarını oluşturur. Kum banyosu sıcaklık kontrol cihazındaki acil durdurma düğmesine basarak reaktörü kapatın. Etilen akış kontrol cihazını yüzde sıfıra ayarlayın ve tüm vanaları kapatın. Hidrojen için de aynısını yapmadan önce iki dakika bekleyin. Oda sıcaklığına ulaşana kadar kum banyosuna hava akışını koruyun.

Reaksiyon, hem etilen sınırlayıcı hem de hidrojen sınırlayıcı koşullar altında gerçekleştirilir. Etan üretimi, gaz kromatografisi yoluyla farklı reaktan konsantrasyonlarında ölçülür. Bu ham veriler, kesirli dönüşümlere ve reaktan uzay zamanlarına dönüştürülür. Veriler, deneme gücü yasası oran ifadelerine geriler ve en uygun olanı seçilir. Bu durumda, en iyi oran ifadesi, birinci kuvvete yükseltilmiş etilen konsantrasyonunu ve dörtte bir kuvvete kadar hidrojen konsantrasyonunu içerir. Bu ifade, hidrojenin katalizöre güçlü bir şekilde adsorbe olduğunu, etilenin ise zayıf bir şekilde adsorbe olduğunu gösterir. Tutarlı kinetik olarak kontrol edilen Langmuir-Hinshelwood Mekanizmasıdır.

Pilot ölçekli katalitik reaktörler genellikle endüstriyel olarak katalizörlerin ve reaksiyon koşullarının kimyasal sentez üzerindeki etkilerini incelemek içindir. Fischer-Tropsch Sentezi, karbon monoksit ve hidrojenden alkan ve alkan yakıtları üretir. Endüstriyel olarak, genellikle demir, kobalt veya rutenyum katalizörleri kullanılarak sabit yataklı bir reaktörde gerçekleştirilir. Reaksiyon yüksek oranda seçilmez ve katalizör seçimine bağlı olarak değişen çeşitli reaksiyon yolları yoluyla birden fazla ürün üretir. Temel araştırmalar, mekanizması ve ürün bileşimi ile ilgili olarak devam etmektedir. Haber-Bosch Süreci, en önemlisi suni gübreler için amonyak üretmek için hidrojen ve nitrojen kullanır. Demir veya daha az sıklıkla kobalt molibden alaşımları tarafından katalize edilen enerji yoğun bir işlemdir. Araştırmalar, nitrojen adsorbsiyon oranlarını devre dışı bırakmadan artırmak ve böylece gerekli basıncı azaltmak için uzun ömürlü, yüksek seçiciliğe sahip katalizörler üzerinde ilerlemektedir. Bu süreç, tarihsel olarak heterojen kataliz teorisini ve modellemesini teşvik etmiştir ve şimdi hesaplamalı katalizör tasarımının konusudur.

JoVE'nin heterojen katalizli reaktörlere girişini az önce izlediniz. Artık heterojen katalizin temel mekanizmasına, pilot ölçekli bir reaktörün çalıştırılması için bir prosedüre ve bazı uygulamalara aşina olmalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler.