Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Chemical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

液相反应器: 蔗糖反转

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

为了提高反应速率, 提高转化率, 在不同类型的反应器中进行化学反应。反应速率是温度的依赖性, 因此它受到传热的强烈影响。此外, 反应速率是由传质的影响, 因为反应的发生速度不能比向催化剂表面提供物的速率快。因此, 填料床反应器往往优先于间歇式反应堆, 因为快速传热是更可行的。在此视频中, 分析了填料床反应器中简单反应的动力学。反应器在不同的条件下操作以确定真实的反应顺序和父母率常数, 因为实际系统的动力学经常偏离期望。

填料床反应器可以被模拟为一系列同样大小的 CSTRs 谁的总体积和催化剂重量匹配的填料床反应器。这个模型被称为坦克串联模型, 并由这个方程给出。这里, 我是反应堆编号, CA0 是限制性反应物的进料浓度, 而三角洲辉是限制性反应物的分数转化的变化。最后, 莱是反应速率, N 是所需的坦克数量, 而道是停留时间。在反应物浓度方面, 催化反应的正向速率几乎总是第一阶, 相对于催化剂浓度和一些小于2的正序。然而, 催化剂的抑制可能会改变反应顺序, 导致反应顺序显得比实际更少。即使是反应物也能抑制催化剂的产生, 导致化学反应的顺序接近于零。由于这些原因, 催化反应由幂定律模型描述, 其中 K 素是表观速率常数, CA 是极限反应物的浓度, β是明显的反应顺序。该模型假定催化剂浓度是恒定的。然而, 在实践中, 催化剂停用。因此, 催化剂浓度应建模为时间函数。在下面的演示中, 证明了一个典型的反应与固体催化剂和液相反应物和产品的动力学。该反应涉及蔗糖分解为葡萄糖和果糖称为蔗糖反转。反应通常是关于蔗糖和催化剂部位的第一顺序。速率常数由传热传质、流量分布、温度和催化剂活化等因素影响。因此, 速率常数是为特定系统实验确定的。现在, 我们已经讨论了坦克串联模型和如何推断反应动力学, 让我们来看看程序本身。

在开始之前, 先熟悉一下仪器。从菜单上的单位项目中选择烫发, 以访问渗透示意图。在本实验中, 该装置采用分布式控制系统进行操作。只使用第一号床、有机物罐、泵和 T505 温度控制器。通过选择趋势 50, 所有的数据, 关键的过程变量与时间有关, 可以获得并收集到一个电子表格。现在, 打开进口和出口阀门的催化反应器第一号床。确保对其他病床的进出值关闭, 以及控制阀 F531 和在城市供水 D531 的开/关阀。

将稀酸添加到两升罐中。打开饲料泵到一个恒定的速度, 并设置流量计, 以获得40至70毫升每分钟所需的流量。如果流量计无法达到此流量范围, 则增加进给泵的速度。饲料酸, 然后约200毫升去离子水再生催化剂通过交换阳离子, 如钠或钙与磺酸阴离子相互作用。接下来, 准备蔗糖饲料溶液, 并在有机物罐中加入一公升。打开水泵。使用泵和流量计的速度控制器来调整所需的速度流。将 T505 温度控制器设置为 auto, 并选择50摄氏度的设置点。当系统达到50度时, 将设定的点移动到60度的最终温度, 在那里通常会进行反应。

首先, 在反应开始之前, 使用试管收集至少25毫升的初始饲料, 以获得蔗糖样品。然后等到两个床位的居住时间已经通过, 并收集两套25毫升样本的排水沟, 这是10分钟的分开。这些示例将使用旋进行分析。要开始反应堆关闭, 将 T505 设置为零输出。一旦温度开始下降, 关闭反应堆, 然后关闭在床上的块阀。现在用旋来分析样品。旋的用途是因为碳水化合物是对映体, 并在一定程度上旋转偏振光。蔗糖将光旋转到右侧, 而葡萄糖和果糖的溶液则将其旋转到左边给出负值。打开钠灯, 等待, 直到看到一个黄色的灯。在刻度盘的零位处可见一个均匀的暗场。转移25毫升的反应样品到管, 并把它放在旋与灯泡附近的眼睛一块朝上, 然后关闭盖子。如果反应样品旋转偏振光, 可以通过透镜观察到深色和浅色的条纹。旋转表盘, 直到条纹消失, 露出一个均匀的暗场。用黑色表盘调整焦距, 使用游标刻度, 通过放大镜读取旋转角度, 确定蔗糖的分数转换。

现在让我们来看看在填料床反应器中使用蔗糖分数转化率常数的测定。每个糖的特定旋转 D 可以在文献中找到, 并与测量的旋转和浓度相关。然后使用浓度来确定分数转换。这里显示了这些数据, 并根据旋转的程度进行绘制。蔗糖浓度越高, 旋转的正向度越高。随着反应的进展和蔗糖转化为葡萄糖和果糖, 旋转的正度减小。现在让我们来看看在60摄氏度的蔗糖反转反应动力学。计算每个进料浓度的伪一阶常数 K 素数, 忽略催化剂的一阶相依性。然后通过将伪一阶速率常数除以催化剂的浓度来计算催化剂的一阶依赖性, 给出二阶速率常数 K。为了确定所获得数据的真实反应顺序, 从填料床反应器的广义摩尔平衡开始, 相对于催化剂重量 W。然后确定每个反应顺序的方程式。用非线性回归法拟合这些方程, 并确定平方误差之和以求得拟合值。现在, 将数据装入一阶反应的坦克串联模型, 并确定所需的坦克数量。少量的坦克计算表明, 反应偏离理想的填料床反应器的行为。这很可能归因于反应器内的轴向混合和温度波动。最后, 我们可以比较各种动力学顺序的反应行为, 包括一级和二阶填充床反应器模型, 其中包含两个坦克的第一和第二级坦克串联模型。很明显, 一阶填料床反应器模型的分数转换更接近于所观察的行为, 与已知的15重量百分比蔗糖的数据点相匹配。

固体催化剂是现代技术中最重要的领域之一, 在广泛的应用和反应器设置中得到了应用。流化床反应器采用悬浮在流体中的固体催化剂。流体, 通常是气体或液体, 通过固体催化剂颗粒, 在足够高的速度, 以暂停它们, 使他们的行为像一个流体。这些类型的反应堆可以用于许多不同的应用, 其中之一是纤维素生物量的热解。在这个过程中, 生物量的热分解产生了含氧生物油。催化剂的性能取决于操作条件, 这可以用温度程序反应来衡量。温度程序化反应包括反应温度的稳定增加和反应器流出物的连续监测。然后将性能与温度相关, 从而确定最佳工作温度。

你刚刚看了朱庇特的介绍填料床反应器催化反应。你现在应该了解如何分析反应动力学, 以及如何使用坦克串联模型来模拟行为。谢谢收看

Read Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter