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Flüssigphasenreaktor: Inversion von Saccharose

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Overview

Quelle: Kerry M. Dooley und Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana Landesuniversität, Baton Rouge, LA

Batch- und kontinuierliche Reaktoren werden in katalytischen Reaktionen verwendet. Gepackte Betten, die festen Katalysatoren und ein kontinuierlicher Strom verwenden, sind die häufigste Konfiguration. In Ermangelung einer umfangreichen Recycling-Stream werden solche verpackten Bett Reaktoren in der Regel modelliert, wie "plug-Flow". Am häufigsten kontinuierlichen Reaktors ist eine Rührbehälters, die angenommen wird, perfekt gemischt werden. 1 ein Grund für die Verbreitung von verpackten Bett Reaktoren ist, dass im Gegensatz zu den meisten Rührbehälters Designs eine große Wandfläche Reaktor-Volumen-Verhältnis mehr schnelle Wärmeübertragung fördert. Für fast alle Reaktoren muss Wärme entweder hinzugefügt oder zurückgezogen, um die Kontrolle der Temperatur für die gewünschte Reaktion stattfinden.

Die Kinetik der katalytischen Reaktionen sind oft komplexer als die einfache Bestellung 1St , 2Nd Ordnung, etc.-Kinetik in Lehrbüchern gefunden. Die Reaktionsgeschwindigkeiten können auch Preise der Stoffaustausch betroffen sein - Reaktion kann nicht schneller als die Rate, mit der Reaktanden geliefert werden, an die Oberfläche oder die mit der Produkte entfernt sind- und Wärmeübertragung stattfinden. Aus diesen Gründen ist fast immer Experimente Reaktionskinetik vor Gestaltung von Großgeräten festzulegen. In diesem Experiment erforschen wir, wie solche Experimente durchzuführen und wie sie zu interpretieren, indem du eine Reaktion Rate Ausdruck und eine scheinbare Geschwindigkeitskonstante.

Dieses Experiment untersucht die Verwendung eines verpackten Bett Reaktors die Kinetik der Saccharose-Inversion zu bestimmen. Diese Reaktion ist typisch für jene zeichnet sich durch eine solide Katalysator mit Flüssigphase Edukten und Produkten.

Saccharose → Glukose (Traubenzucker) + fructose(1)

Ein verpackte Bett Reaktor wird bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, die Raum-Zeit zu kontrollieren, die Verweilzeit ist und ist analog zur verstrichenen Zeit in einem Batch-Reaktor betrieben werden. Der Katalysator, eine feste Säure wird zuerst vorbereitet werden, durch den Austausch von Protonen für alle anderen Kationen vorhanden. Der Reaktor wird dann auf die gewünschte Temperatur (Isotherme Betrieb) mit dem Fluss der Reaktanden beheizt werden. Wenn die Temperatur equilibriert hat, beginnt Produkt-Sampling. Durch ein Polarimeter, die optische Drehung misst, werden die Proben analysiert. Die Mischung optische Drehung kann zur Umwandlung von Saccharose, die dann im standard Kinetik Analysen verwendet werden kann, um die Reihenfolge der Reaktion in Bezug auf die Reaktanten Saccharose und die scheinbare Geschwindigkeitskonstante zusammenhängen. Die Auswirkungen der Strömungsmechanik - keine axiale Vermischung (Pfropfenströmung) vs. einige axiale mischen (gerührten Behälter in Serie) - auf die Kinetik werden auch analysiert werden.

Principles

Im Vergleich zu kontinuierlichen Rührbehälters Reaktoren (CSTRs), sind Plug-Flow-Reaktoren (PFR) in der Regel besser geeignet für schnelle Reaktionen und großer Hitze Effekte. 2 jedoch können Druckabfall und die Entwicklung von "Hot Spots" problematisch sein. Daher Katalysator Partikelgrößen darf nicht zu klein sein und vorsichtig Startup-Prozeduren müssen befolgt werden.

Eine PFR ist mathematisch äquivalent zu einer Vielzahl von kleinen, gleich großen CSTRs in Serie, deren Gesamtgewicht Volumen oder Katalysator, der das System übereinstimmt. Wenn mischen in axialer Richtung auftritt, verringert die Anzahl der Tanks, N, musste Reaktorbetrieb zu beschreiben. Das Modell heißt "Tanks in Serie"-Modell. Die Parameter, die N und τ (Raum-Zeit) des Modells manchmal aus dem Mittelwert und der Varianz der Residenz ableiten lassen Zeit Vertrieb (E-Kurve) des Reaktors. Für eine PFR Mittelwert kann genau berechnet werden, und die Varianz ist null. Für einen echten Reaktor τ wird normalerweise geschätzt, und N ist aus dem Modell (Gleichung 2) zurückgebildet:

Equation 1(2)

wo "ich" ist der Reaktor Nummer CAo ist der feed Konzentration der begrenzende Reaktanten (in diesem Fall, Saccharose), ΔfAi ist die Veränderung der gebrochene Umwandlung von "A" in der ich die Rührbehälters und RAi ist die Rate der Reaktion in den Tank Ausfahrt Konzentrationen ausgewertet. Dieser Tarif muss positiv sein. Lösen der Massenbilanz für gleich große CSTRs in Serie auch verwendet werden, können um die Reihenfolge festzulegen Reaktion für "A" mit den Daten aus einem realen Reaktor und vorausgesetzt, die Temperatur können konstant gehalten werden vernünftig und, dass N bekannt.

Die Terminkurs Gleichung für eine katalytische Reaktion ist fast immer 1St Ordnung in Katalysatorkonzentration und einige positive Ordnung ≤2 in jeder Konzentration der Reaktionspartner. Produkte können manchmal hemmen den Katalysator, wodurch die Reaktanten Reihenfolge erscheinen weniger als es wirklich ist. Auch Edukte können den Katalysator, was Bestellungen für Reaktionspartner näher an Null hemmen. Aus diesen Gründen katalytische Reaktionen werden oft durch ein "Energie-Gesetz" Modell ausgedrückt:2

Equation 2(3)

wo Equation 3 ist die Konzentration der Begrenzung der Reaktanten, k' ist die scheinbare Rate konstant, und Equation 4 ist die scheinbare Reaktionsordnung. Dieses Modell setzt voraus, dass der Katalysatorkonzentration konstant ist (es wird absorbiert in die wahre Geschwindigkeitskonstante geben k'). Im wirklichen Leben Katalysatoren oft deaktivieren, d. h., CKatze [in Mmol Säure Websites/Gcat] sinkt aufgrund der Ansammlung von Katalysatorgifte. Aus diesem Grund muss man entweder Konto für Deaktivierung (express CKatze als Funktion der Zeit Onstream) oder (vorzugsweise) sammeln Daten über einen bestimmten Zeitraum wo der Katalysator ist relativ stabil.

Die Kinetik der Saccharose-Inversion finden meist erster Ordnung in Saccharose-Konzentration und erster Ordnung in der Konzentration des Katalysators Seiten sein. Lifshutz und Dranoff Berichten ein zweiter Ordnung Rate Konstante k ~0.029 ml / (Mmol Säure sites • min) für einen Katalysator ähnlich dem hier verwendeten bei 60 ° C mit einer Aktivierungsenergie von 77 kJ/Mol4 Gilliland Et Al. Berichten ~1.21 mL / (Mmol Säure sites • min) mit eine Aktivierungsenergie von 84 kJ/Mol für einen ähnlichen Katalysator zu diesen Konditionen. 4 die signifikanten Unterschiede in k können ergeben sich aus mehreren Faktoren: (a) Auswirkungen der Wärme- und Stoffübertragung auf die Kinetik; (b) schlechte Strömungsverteilung; (c) schlechte Temperaturregelung; und (d) unterschiedliche Zustände des Katalysator-Aktivierung.

Die Raum-Zeit für einen katalytischen Reaktor (analog Verweilzeit) ist in der Regel ausgedrückt als tau = W/Q, wo W ist das Gewicht des Katalysators und Q ist die volumetrische Durchflussrate von Futtermitteln. Die Einheiten auf die Geschwindigkeitskonstante bereinigt um für die Einheiten auf Raum-Zeit (d. h. für eine 1St bestellen Reaktion der Einheiten auf k' wäre das gleiche wie bei 1 /tau). Abbildung 1 zeigt das Verhalten der Reaktionen der verschiedenen Kinetik Aufträge sowohl PFR und in einem Panzer in Serie-Modell, bestehend aus zwei Tanks. Beachten Sie, dass für positive Aufträge der PFR immer überlegen ist.

Figure 1
Abbildung 1. Berechnet gebrochene Konvertierungen (im Vergleich zu Raum-Zeit) von Saccharose mit Geschwindigkeitskonstanten abgeleitet aus den Daten für mehrere Saccharose Feeds bei 60 ° c

Um die Menge des Zuckers zu bestimmen, wird ein Polarimeter verwendet, die misst den Grad der Drehung des Lichts durch den Analyten zusammengesetzte polarisiert. Zucker sind Beispiele für Verbindungen mit Enantiomere, die durch ihre optische Aktivität, die Fähigkeit, Licht zu drehen unterschieden werden können. Ein Polarimeter eignet sich besonders zur Messung von Konzentrationen in diesem Experiment da die Reaktanten Saccharose dreht Licht nach rechts (positive optische Drehung), während die Produkte Glucose und Fructose nach links (negative optische Drehung) drehen.

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Procedure

Katalysator-Eigenschaften sind: Größe = 20-40 Maschen; Gewicht = 223 g; Wassergehalt = 30 wt. %; scheinbare (Schüttdichte) = 1,01 g/mL; Konzentration der Säure Website = 4,6 Mmol Säure Websites/g Trockengewicht; Fläche = 50 m2/g; Macroporosity (Makroporen-Volumen/Gesamt-Volumen von Kat.) = 0,34; durchschnittliche Makroporen-Größe = 80 nm. Eine P & ID-Abbildung des Gerätes ist in Abbildung 2dargestellt. Für dieses Experiment nur Bett #1, die Organics Tank, Pumpe und Rotameter verwendet. Proben werden auf den oberen Abfluss gesammelt. T505 ist der Temperaturregler.

Figure 1
Abbildung 2 . P & ID-Darstellung des Apparates (System Steuerschnittstelle).

1. Inbetriebnahme des Reaktors

  1. Die dezentrale Steuerung-System-Schnittstelle zugreifen. Wählen Sie die Einheit Punkt im Menü Perm. Die Dauerwelle P & ID-Schema (Abbildung 2) erscheint. Alle Daten können in eine Excel-Tabelle erfasst werden. Klicken Sie auf "Trend 50" an der Schnittstelle zu die wichtigen Prozessvariablen in Bezug auf Zeit erhalten.
  2. Öffnen Sie die ein- und Ausfahrt Ventile zum katalytischen Reaktor Bett (Bett #1). Achten Sie darauf, dass die ein- und Ausfahrt Ventile zu den anderen Betten geschlossen sind, und dass das Regelventil (F531) und on / off-Ventil (D531) auf die Wasserversorgung der Stadt auch geschlossen sind.
  3. Fügen Sie verdünnten Säure (0,25 M H2SO4) zu den Vorlagebehälter (2 L).
  4. Einschalten der Förderpumpe zu einer konstanten Geschwindigkeit (mindestens 3 auf dem Zifferblatt), und der Rotameter, geben Sie die gewünschte Durchflussgeschwindigkeit (40-70 mL/min). Wenn der Rotameter Strömung in diesem Bereich kontrollieren kann, erhöhen Sie die Pumpendrehzahl zur nächsten höheren Einstellung.
  5. Sobald Säure zugeführt wurden, fügen Sie 200 mL oder mehr von DI-Wasser Vorlagebehälter hinzu. Die Säure, die Protonen austauschen werden, für was auch immer andere Ionen (Na+, Ca2 +) sind die Sulfonsäure Anionen beigefügt. Und zwar deshalb, weil auch DI Wasser Verunreinigungen und kommunale Wasserversorgung noch mehr enthält. Dies nennt man "Regeneration" des Katalysators.
  6. Bereiten Sie mindestens 10 L des feed-Lösung mit 15 wt % Saccharose in VE-Wasser. Bei der Vorbereitung der Saccharoselösung fügen Sie hinzu, die Saccharose langsam das Wasser unter ständigem Rühren bei Raumtemperatur. Verwenden Sie ein Magnetrührer und ein Paddel.
  7. Fügen Sie den Feed in den Organics-Tank.

(2) verpackte Bett Reaktorbetrieb

  1. Um Saccharose feed fließen beginnen, schalten Sie die Pumpe, und passen Sie fließen wie gewünscht mit der Pumpe Drehzahlregler und der Rotameter. Der Regler ist für grobe Anpassung während der Rotameter zur Feineinstellung ist.
  2. Programm des Sollwertes für T505 auf 50° C, und setzen Sie es auf AUTO. Das System ist so programmiert, die Heizungen abgeschnitten, wenn die Bett-Temperatur 90 ° C erreicht oder unterschreitet der Druckverlust gemessen an den d/p-Sender 1 Zoll auf der H2O Spalte Druck gibt an, dass es kein Futter.
  3. Eine typische für die Reaktion beträgt 60° C. Wenn die Reaktortemperatur zuerst 50 ° C übersteigt, bewegen Sie den Sollwert dazu Endtemperatur gewünscht. Ein Temperaturprofil kann über den Katalysator Abschnitt beobachten, die durch die Untersuchung von Thermoelementen T502 und T503 visualisiert werden können.
  4. Sammle 25 mL Proben von den Reaktionsprodukten am oberen Drain in Reagenzgläser oder Probenflaschen 10 Minuten auseinander. Sammeln Sie Proben nicht bis mindestens zwei Bett Verweilzeiten (das Bett offen Volumen ist ~1.2 L) bestanden haben.

3. Herunterfahren das System

  1. Stellen Sie die T-505, Bett #1 Temperaturregelung Ausgabe auf manuell auf Null ein.
  2. Fluss zum Ausschalten des Reaktors sobald die Temperatur beginnt zu sinken.
  3. Schließen Sie die Block-Ventile auf dem Bett #1.

4. Verwendung der Polarimeter

Analysieren Sie Reaktion Produktproben und die anfängliche füttern mit dem Polarimeter. Für ein 15 Gew.% % Saccharose ernähren sollte Umbauten im Bereich von 80 bis 120 mL/min reine Saccharose, Glukose und Fruktose sollte als die Kalibrierstandards verwendet werden. Finden Sie im Anhang für weitere Details auf Polarimetrie.

  1. Schalten Sie die Natriumlampe und lassen Sie es ca. 5 bis 10 Minuten aufwärmen. Ein gelbes Licht werden sichtbar.
  2. Überprüfen Sie die Nullstellung des Zifferblattes. Bei Null werden eine einheitliche Dunkelfeld mit keine hell/dunkel-Fransen, beachtet.
  3. Ein sauberes Röhrchen 25 mL der Ausgangslösung feed hinzufügen. Stellen Sie sicher, dass der Schlauch vollständig gefüllt ist. Verwenden Sie das gleiche Rohr für Kalibrierungen und Messungen, da die Lesung Weglänge abhängig ist.
  4. Legen Sie das Rohr in das Polarimeter. Das Rohr sollte nach oben eingeschlossene Luft aus der Visierlinie entfernen und die Lampe sollte in der Nähe des Okulars.
  5. Schließen Sie die Abdeckung. Wenn die Lösung polarisiertes Licht dreht, hell/dunkel Fransen durch die Linse zu beachten.
  6. Drehen Sie das Zifferblatt, bis die Ränder verschwinden und eine einheitliche Dunkelfeld beobachtet.
  7. Lesen Sie den Drehwinkel durch die Lupe mit dem Nonius-Skala. Die Zifferblatt-Abteilungen sind 1 Grad und jede Vernier Division ist 0,05 °. Um den Fokus einzustellen, drehen Sie das schwarze Zifferblatt befindet sich unterhalb des Okulars.
  8. Wiederholen Sie für jede Probe. Verwenden Sie VE-Wasser zur Reinigung der Röhre vor jeder Messung.

Chemische Reaktionen werden in verschiedenen Arten von Reaktoren mit Katalysatoren um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und zu verbessern Konvertierung durchgeführt. Reaktionsgeschwindigkeit ist temperaturabhängig, damit es durch Wärmeübertragung stark beeinflusst wird. Darüber hinaus erfolgt die Reaktionsgeschwindigkeit durch Stoffaustausch, da eine Reaktion schneller als die Rate nicht stattfinden kann bei der Reaktanden der Katalysatoroberfläche zugeführt werden. Deshalb werden verpackten Bett Reaktoren oft bevorzugt über Batch-Reaktoren wie schnelle Wärmeübertragung mehr machbar ist. In diesem Video wird die Kinetik der einer einfachen Reaktion in einem verpackten Bett Reaktor analysiert. Der Reaktor ist bei unterschiedlichen Bedingungen betrieben, um herauszufinden, die echte Reaktionsordnung und ein Elternteil Geschwindigkeitskonstante als die Kinetik der realen Systemen oft abweichen von, was erwartet wird.

Verpackten Bett Reaktoren modelliert werden können, als eine Reihe von viele gleich große CSTRs, die ist total Volumen und Katalysator Gewicht der verpackten Bett Reaktor übereinstimmt. Dieses Modell nennt sich der Panzer Serienmodell und ergibt sich aus dieser Gleichung. Hier ist der Reaktor Nummer CA0 ist der feed Konzentration der begrenzende Reaktanten und Delta FAI ist die Veränderung der gebrochene Umwandlung der begrenzende Reaktanten. Zu guter Letzt RAI ist die Geschwindigkeit der Reaktion, N ist die Anzahl der Tanks benötigt und Tao ist die Verweilzeit. Der Terminkurs für eine katalytische Reaktion ist fast immer erster Ordnung in Bezug auf Katalysatorkonzentration und weniger als zwei positive Ordnung in Bezug auf die Konzentration der Reaktionspartner. Katalysator-Hemmung kann jedoch ändern, Reaktionsordnung, wodurch die Reaktionsordnung erscheinen weniger als es tatsächlich ist. Auch Edukte können den Katalysator verursacht die Reaktionsordnung nahe Null erscheinen hemmen. Aus diesen Gründen werden katalytische Reaktionen durch die Power-Gesetz-Modell beschrieben, wo K Prime ist die scheinbare Geschwindigkeitskonstante, CA ist die Konzentration der begrenzende Reaktanten und Beta ist die scheinbare Reaktionsordnung. Das Modell setzt voraus, dass Katalysatorkonzentration konstant ist. Jedoch in der Praxis, Katalysatoren zu deaktivieren. Somit sollte Katalysatorkonzentration als Funktion der Zeit modelliert werden. In der folgenden Demo ist die Kinetik der eine typische Reaktion mit festen Katalysator und Flüssigphase Edukten und Produkten unter Beweis gestellt. Die Reaktion beinhaltet die Aufschlüsselung der Saccharose in Glucose und Fructose Saccharose-Inversion genannt. Die Reaktion ist in der Regel erster Ordnung in Bezug auf Saccharose und in Bezug auf Katalysator Websites. Die Geschwindigkeitskonstante erfolgt durch Wärme- und Stoffaustausch, Strömungsverteilung, Temperatur und Katalysator-Aktivierung. Somit ist die Geschwindigkeitskonstante experimentell für das jeweilige System bestimmt. Nun, wir die Panzer in Serie-Modell und wie man die Reaktionskinetik ableiten diskutiert haben, werfen wir einen Blick auf das Verfahren selbst.

Bevor Sie beginnen, machen Sie sich mit dem Gerät vertraut. Wählen Sie Perm aus der Einheit-Element im Menü des Permeameter schematischen Zugriff auf. In diesem Experiment ist die Bedienung mit einem Prozessleitsystem. Nur Bett Nummer eins, die Organics Tank, Pumpe und T505 Temperaturregler verwendet werden. Durch Auswahl Trend 50, alle Daten, können die wichtigsten Prozessvariablen in Bezug auf Zeit erhalten und in einer Tabelle zusammengefasst werden. Nun öffnen Sie den Einlass und Ausgang Ventile zur katalytischen Reaktor Bett Nummer eins. Stellen Sie sicher, dass die ein- und Ausfahrt Werte zu den anderen Betten sowie das Regelventil F531 und ein/aus-Ventil D531 auf die Wasserversorgung der Stadt geschlossen sind.

Die zwei-Liter-Tank verdünnten Säure hinzufügen. Einschalten der Förderpumpe zu einer konstanten Geschwindigkeit und der Rotameter, eine gewünschte Fördermenge von 40 bis 70 Milliliter pro Minute zu erhalten. Erhöhen Sie die Geschwindigkeit der Beschickungspumpe, wenn der Rotameter dieser Auswahl von Strömung erreichen kann. Füttern Sie die Säure und dann ca. 200 Milliliter deionisiertes Wasser zur Regeneration des Katalysators durch den Austausch der Kationen wie Natrium oder Kalzium die Interaktion mit Sulfonsäure Anionen. Als nächstes bereiten Sie feed Saccharoselösung zu und einen Liter in den Tank Organics. Schalten Sie die Pumpe. Mithilfe des Reglers der Pumpe und der Rotameter Geschwindigkeit fließen wie gewünscht anpassen. Stellen Sie den T505 Temperaturregler, auto und wählen einen Sollwert von 50 Grad Celsius. Wenn das System 50 Grad erreicht hat, bewegen Sie den Sollwert auf die endgültige Temperatur von 60 Grad, wo die Reaktion in der Regel durchgeführt wird.

Verwenden Sie zuerst ein Reagenzglas, um mindestens 25 Milliliter das erste Futter, eine Saccharose-Probe zu haben, bevor die Reaktion begonnen hat zu sammeln. Dann warten Sie, bis zwei Bett Verweilzeiten vergangen sind, und sammeln Sie zwei Sätze von 25 Milliliter Proben auf den Abfluss, die 10 Minuten voneinander entfernt sind. Diese Proben werden mit einem Polarimeter analysiert werden. Aufnehmen der Reaktor heruntergefahren stellen Sie T505 auf Null Ausgabe ein Sobald die Temperatur beginnt zu sinken, der Reaktor abgeschaltet und dann schließen Sie die Block-Ventile auf einem Bett. Jetzt verwenden Sie ein Polarimeter, um die Proben zu analysieren. Ein Polarimeter wird verwendet, da Kohlenhydrate Enantiomere sind und polarisiertes Licht bis zu einem gewissen Grad zu drehen. Saccharose dreht sich das Licht auf der rechten Seite, während die Lösung von Glukose und Fruktose drehen sie auf der linken Seite mit negativen Werten. Die Natriumlampe schalten Sie ein und warten Sie, bis ein gelbes Licht gesehen wird. Eine einheitliche Dunkelfeld ist die Null-Position des Zifferblattes sichtbar. Übertragen Sie 25 Milliliter Probe Reaktion auf das Rohr und legen Sie sie in das Polarimeter mit der Glühbirne in der Nähe das Okular nach oben und schließen Sie die Abdeckung. Dunklen und helle Fransen können durch das Objektiv beobachtet werden, wenn die Reaktion Probe polarisiertes Licht dreht. Drehen Sie das Zifferblatt, bis die Ränder verschwinden und eine einheitliche Dunkelfeld zu offenbaren. Stellen Sie den Fokus mit dem schwarzen Zifferblatt und mit dem Nonius-Skala, lesen Sie den Drehwinkel durch das Vergrößerungsglas die Bruchteil Umwandlung von Saccharose zu bestimmen.

Nun werfen wir einen Blick auf die Tariffindung konstant über die gebrochene Umstellung von Saccharose in einem verpackten Bett-Reaktor. Die spezifische Drehung D jeder Zucker finden Sie in der Literatur und ist die gemessene Drehung und die Konzentration korreliert. Konzentration wird dann verwendet, um gebrochene Umwandlung zu bestimmen. Diese Daten werden hier dargestellt aufgetragen gegen den Grad der Drehung. Je höher die Konzentration von Saccharose, je höher der positiven Grad der Drehung. Da die Reaktion fortschreitet und Saccharose ist umgewandelt in Glucose und Fructose, verringert sich der positiven Grad der Drehung. Nun werfen wir einen Blick auf die Reaktionskinetik der Saccharose-Inversion bei 60 Grad Celsius. Berechnen der Pseudo ersten Bestellung Konstante K Prime für jedes Futtermittel-Konzentration, die die erste Bestellung Angehörige des Katalysators ignoriert. Dann entfallen Sie auf die erste Bestellung Abhängigkeit des Katalysators dividiert die Pseudo erste Ordnung Rate konstant durch die Konzentration des Katalysators, die zweite Bestellung Geschwindigkeitskonstante K zwei zu geben. Um die echte Reaktion Reihenfolge für die erfassten Daten bestimmen, beginnen Sie mit der verallgemeinerten Maulwurf Balance des verpackten Bett Reaktors in Bezug auf Katalysator Gewicht w. Dann bestimmen Sie die Gleichungen für jedes Reaktionsordnung. Passen Sie diese Gleichungen, die Daten über eine nicht-lineare Regression und bestimmen Sie die Summe der quadrierten Fehler um die Passform zu bewerten. Jetzt passen Sie die Daten dem Panzer in Serie-Modell für die erste Bestellung Reaktion und bestimmen Sie die Anzahl der Tanks benötigt. Eine kleine Anzahl von Panzern errechnet, was darauf hindeutet, dass die Reaktion von idealen verpackten Bett Reaktor Verhalten abweicht. Dies ist wahrscheinlich zurückzuführen auf axiale mischen und Temperaturschwankungen innerhalb des Reaktors. Schließlich vergleichen wir das Reaktionsverhalten von verschiedenen kinetische Bestellungen einschließlich der ersten und zweiten Bestellung verpackt Bett Reaktor Modelle mit erster und zweiter Ordnung Panzer in Serie Modelle bestehend aus zwei Tanks. Es ist klar, dass die gebrochene Konvertierung für die erste Bestellung verpackten Bett Reaktor Modell mehr eng das beobachtete Verhalten darstellt, da die bekannten Datenpunkt für 15 Gewicht Prozent Saccharose abgestimmt.

Festere Katalysatoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen und Reaktor-Setups verwendet, sind eines der wichtigsten Felder in der modernen Technik. Ein Wirbelschicht-Reaktor nutzt festen Katalysator in Flüssigkeit suspendiert. Die Flüssigkeit, in der Regel Gas oder Flüssigkeit, wird durch solide Katalysatorpartikel mit hoch genug Geschwindigkeit auszusetzen und sie Verhalten sich wie eine Flüssigkeit geleitet. Diese Arten von Reaktoren einsetzbar für viele verschiedene Anwendungen, von denen die Pyrolyse von Lignozellulose Biomasse ist. Dabei tritt die thermische Zersetzung der Biomasse resultierende in sauerstoffreichem Bio-Ölen. Katalysatorleistung variiert je nach Betriebsbedingungen, die eine Temperatur programmiert Reaktion gemessen werden kann. Eine Temperatur programmiert Reaktion beinhaltet die stetige Zunahme der Reaktionstemperatur mit der kontinuierlichen Überwachung des Reaktors Abwassers. Leistung ist dann auf Temperatur ermöglicht die Bestimmung der optimalen Betriebstemperatur korreliert.

Sie habe nur Jupiters Einführung in verpackten Bett Reaktoren für katalytische Reaktionen beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie die Kinetik der Reaktion zu analysieren und Verhalten mit dem Panzer in Serie-Modell zu modellieren. Danke fürs Zuschauen.

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Results

Das Polarimeter bestimmt die gebrochenen Konvertierungen von Saccharose nach der Reaktion in einem verpackten Bett-Reaktor. Eine vorherige Polarimeter-Kalibrierung für eine drei verschiedene Saccharose-Feeds ist in Abbildung 3dargestellt.

Figure 3
Abbildung 3 . Beziehung zwischen den Grad der Drehung und gebrochene Umstellung von Saccharose für unterschiedliche Futtermittel Konzentrationen.

Beispieldaten werden für die Reaktion bei 60 ° C bei unterschiedlichen Saccharose ernähren Konzentrationen in Abbildung 4 dargestellt. Gebrochene Konvertierungen wurden direkt aus der Eichkurve Polarimeter mit Hilfe der folgenden Gleichung, wo D ist der Grad der Drehung von der Polarimeter berechnet:

    Equation 5(4)

Figure 4
Abbildung 4 . Saccharose-Inversion-Reaktion bei 60° C, 100 mL/min Vorschub.

Bei 0th und 1St Bestellung Reaktionen erfolgt die Konvertierung in eine PFR unabhängig von feed Konzentration. 2 darüber hinaus k' Invarianten für 1St Auftrag Kinetik werden sollte. Vorausgesetzt, den Reaktor zu einem PFR, 2Nd Ordnung Geschwindigkeitskonstante, k2 (mL/Mmol Websites • min), wurde bestimmt durch Rechnungslegung für die 1St bestellen Abhängigkeit der Katalysator und die Geschwindigkeitskonstante Pseudo-1St bestellen k' () mL/gKatze • min) wurde durch das Ignorieren der 1St Bestellung Abhängigkeit des Katalysators ermittelt. Die Ergebnisse der Pseudo -k' Berechnungen werden in Abbildung 4dargestellt. Und der Wert von k2 wurde gefunden, indem man k' durch die Konzentration des Katalysators (Mmol Säure Websites/gKatze) zuvor gegeben.

Equation 6(5)

Um festzustellen, ob der Reaktionskinetik waren näher an 0, 0.5, 1, 1,5 oder 2Nd Ordnung in Saccharose, nicht-lineare Regression der Massenbilanz verwendet wurde, und die Summe der quadrierten Fehler für alle drei Läufe minimiert wurde. Um nicht-lineare Regression zu verwenden, wurde eine Zielfunktion formuliert, anhand der integrierten PFR Massenausgleich und die jeweiligen Reaktionsordnung. Im folgenden ist beispielsweise der Zielfunktion für eine 1,5 kinetische Ordnung in Saccharose-Konzentration:

Equation 7(6)

Andere Zielfunktionen können von PFR Massenbilanz Standardlösungen formuliert werden, die in allen Kinetik Lehrbüchern gefunden werden können. 2 Die experimentellen Daten in Abbildung 4 waren Fit, um die integrierte PFR Massenbilanzen für 1, 1,5 und 2 Aufträge in Bezug auf Saccharose. Die Summe der quadrierten Fehler für die drei Reaktion Aufträge waren entschlossen, 0,39, 0,16 und 1.3, betragen. Daher am besten geeignet erwies sich n = 1,5 Auftrag. Dies führt zu einem k' Wert von 35 (mL/gKatze • min).

Es war ursprünglich gedacht, dass die Kinetik 1St Ordnung in Bezug auf Saccharose waren. 2-3 mit dieser Annahme, kann man die Anzahl der gleichen Volumen CSTRs, N, in Serie bestimmen, die erforderlich sind, um dieses Reaktors zu modellieren. Wiederum die Summe der Quadrat Fehler in der Massenbilanz für alle drei Läufe minimiert wurden, um beide N zu bestimmen und k'. Die Daten wurden dem Panzer in Serie-Modell für 1St Bestellung Reaktionen passen:

Equation 8(7)

Es wurde festgestellt, dass N = 2,1 "Tanks" und k' = 0,62 mL/gKatze • min. Dies ist keine tolle Passform, da die Reaktionsordnung nicht genau 1 ist. Die Daten deuten darauf hin eine Saccharose Bestellung > 1. Die relativen Standardabweichungen von fA waren höchstens 2 %, was leicht durch die Variation der Temperatur (bis zu 9 ° C) berücksichtigt wird. Es gab keinen Beweis der Katalysator Deaktivierung. Die gebrochenen Konvertierungen für beide PFR und zwei CSTR Tanks in Serie wurde berechnet, mit der k aus nicht-lineare Regression und in Abbildung 1dargestellt. Für nullter Ordnung gab es keinen Unterschied zwischen einem PFR und CSTRs in Serie, da die Rate unabhängig von Saccharose-Konzentration ist. Wenn die Kurven für 6 oder mehr CSTRs geplant hatte, würde sie eng mit den PFR Kurven fiel haben. Die vorhergesagten gebrochenen Konvertierungen für zwei CSTR Tanks in Serie ist langsamer als ein PFR für alle Bestellungen der Reaktion. Die experimentellen Daten für 15 wt % Saccharose ist eigentlich näher an eine Reaktion erster Ordnung in PFR.

Der Fehler in k' abgeschätzt werden durch einen Vergleich der Unterschiede in der berechneten k' Werte an die durchschnittliche Temperaturabweichung (4,5 ° C) auf die Temperatur der Reaktion, 60 ° C, unter Verwendung der Arrhenius-Gleichung und Mittelung der beiden Literatur Aktivierungsenergien. Die geschätzte k "für 1,5 Ordnung Kinetik bei 64,5 ° C ist 52 (mL/Mol)0,5 mL • Gcat-1 • min-1, was fast 50 % höher als der Regression Wert 35 (mL/Mol)0,5 mL • Gcat-1 • min-1. Geringe Temperaturschwankungen beeinflussen die k' stark.

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Applications and Summary

Die Reaktion verhält nicht sich genau wie erwartet, da die scheinbare Ordnung n > 1 ist. Alle Phänomene, die solche Abweichungen verursachen können, in reale Reaktoren, werden Abweichungen vom idealen PFR Verhalten verursacht durch axiale mischen vorgeschlagen durch die Tatsache, dass passend zum Panzer im Serienmodell gibt nur eine kleine Anzahl von Panzer - für eine perfekte PFR N sollte mindestens 6 . Solche Abweichungen sind oft in relativ kurzen Betten gefunden, vor allem, wenn die Strömung mehrphasig (etwas Wasser ist verdampft im Reaktor). Eine weitere Ursache für die Abweichung ist jedoch weniger offensichtlich, aber wahrscheinlich noch wichtiger. Die Reaktion ist stark exotherm und wie bereits erwähnt, schwankte die Temperatur von weniger als 9° C (meist über den Sollwert). Die mehr Saccharose in das Futter, desto mehr Wärme, der generiert wird. Wie zu erwarten, waren die Schwingungen mit den 20 Gew.-% zu ernähren. Dies legt nahe, ein weiterer Grund für eine scheinbare Ordnung n > 1: mehr Wärme auf eine höhere Konzentration des Futters erhöht die Reaktortemperatur mehr, was wiederum erhöht die Geschwindigkeit der Reaktion, die wiederum einer abgeleiteten scheinbaren Ordnung > die tatsächliche Reihenfolge. Wenn die Temperatur nicht ausreichend kontrolliert wird, könnte die Reaktortemperatur auf den adiabatischen Grenzwert erhöhen. Abweichungen vom idealen PFR Verhalten im Durchfluss und Temperatur beeinflussen die scheinbare Kinetik, abgeleitet aus der tatsächlichen Reaktoren, setzen eine Prämie auf sorgfältige Reaktor Scale-Up auf Duplizieren Pilotanlage Bedingungen der Flüssigkeitsströmung und Wärmeübertragung.

Verpackten Bett Reaktoren haben viele Anwendungen in der chemischen Industrie. Schwefelsäure, eine Chemikalie, die verwendet, um Hunderte von verschiedenen Produkten ist häufig Teil mit verpackten Bett chemische Reaktoren in Serie hergestellt. Mehr als 200 Millionen Tonnen werden jährlich produziert. In dieser Reaktion von Schwefeldioxid und Luft sind durchlaufen Festbett Reaktoren in Serie (mit zwischengeschalteten Wärmetauscher für Wärmeabfuhr) mit unterstützten Vanadium Oxid Katalysator bei hohen Temperaturen. 4 die SO2 ist SO3, oxidiert, wenn im Wasser absorbiert, ist Schwefelsäure.

Eine neuere Anwendung für verpackte Bett Reaktoren ist in der Produktion von Biodiesel durch Transesterifying Triglyceride oder esterifying Fettsäuren mit Methanol. Während Biodiesel auf unterschiedliche Weise hergestellt wird, können verpackten Bett Reaktoren für eine kontinuierliche Produktion von Vorteil sein. Biodiesel ist eine erneuerbare Energiequelle in Betracht gezogen, weil es aus Algen oder Abfälle Lebensmittel hergestellt wird, und ist biologisch abbaubar und ungiftig. Unabhängig von der eingesetzten Katalysator muss es gründlich aus dem Produkt nach der Reaktion bereinigt werden, da auch kleine Mengen Kraftstoff unbrauchbar machen können. 5

ANHANG A – MIT DEM POLARIMETER
Polarimetrie misst das Ausmaß, zu dem ein Stoff interagiert mit Flugzeug polarisiertes Licht besteht aus Wellen, die nur in einer Ebene schwingen. Es kann polarisierte Licht nach links, rechts, oder überhaupt nicht drehen. Wenn es polarisiertes Licht nach links oder nach rechts dreht, ist es "optisch aktive". Wenn eine Verbindung eine chirale Zentrum nicht kennt, wird es nicht polarisiertes Licht drehen. Die Anzahl der Grad und die Drehrichtung werden gemessen, um die beobachteten Drehung zu geben. Die beobachteten Rotation wird für die Länge der Zelle verwendet und die Lösungskonzentration, unter Verwendung der folgenden Gleichung korrigiert:
Equation 9(A1)
Wo: eine bestimmte Rotation (Grad) (Literaturwert) = l = Weglänge (dm) und c = Konzentration (g/mL).
Vergleicht man den korrigierten Drehung auf Literatur Werte beobachtet kann bei der Identifizierung einer unbekannten Verbindung unterstützen. Wenn die Verbindungen bekannt sind, ist es jedoch häufiger zur Vorbereitung Kalibrierstandards der unbekannten und korrelieren die beobachteten Drehung, Konzentration.

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References

  1. J. Sauer, N. Dahmen and E. Henrich. "Chemical Reactor Types." Ullman's Encycylopedia of Industrial Chemistry (2015). Web. 15 Oct. 2016.
  2. H.S. Fogler, "Elements of Chemical Reaction Engineering," 4th Ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 2006, Ch. 2-4; O. Levenspiel, "Chemical Reaction Engineering," 3rd Ed., John Wiley, New York, 1999, Ch. 4-6; C.G. Hill, Jr. and T.W. Root, "Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design," 2nd Ed., John Wiley, New York, 2014, Ch. 8.
  3. N. Lifshutz and J. S. Dranoff, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev., 7, 266-269 (1968).
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