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Réacteur catalytique : Hydrogénation de l’éthylène

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Catalyseurs sont des matériaux qui sont ajoutés aux systèmes de réaction pour augmenter la vitesse de réaction. Parce que les catalyseurs ne sont pas consommés dans la réaction, ceux-ci sont utilisés dans de nombreux processus à échelle industrielle. Catalyseurs augmentent la vitesse de réaction en fournissant une voie alternative mécaniste avec une énergie d’activation inférieure, qui est l’énergie minimale requise pour une réaction de procéder. Réaction catalytique peut être homogène, ce qui signifie que le catalyseur et les réactifs sont dans la même phase, ou hétérogène, ce qui signifie que le catalyseur et les réactifs sont en différentes phases. En règle générale, les catalyseurs hétérogènes sont solides, entités nanométriques dispersée sur un support matériel. La réaction catalytique commence par adsorption des réactifs au site actif sur la surface de nano-particules, suivi de la réaction et puis désorption des produits. Réacteurs à l’aide de catalyseurs hétérogènes sont au cœur de plusieurs processus à échelle industrielle, comme la production d’hydrocarbures. Cette vidéo illustre les principes de catalyseurs hétérogènes et des réacteurs catalytiques, montre un procédé d’hydrogénation pilote catalysée par l’éthylène et discute de certaines applications.

Les catalyseurs hétérogènes plus courantes pour les réactions en phase gazeuse sont des nanocristaux de métaux de transition. Elles opèrent fréquemment par le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood. Ce mécanisme hypothétique commence avec les réactifs adsorbé à la surface du catalyseur, délocaliser leurs électrons liants dans les orbitales vacantes des atomes de métaux de transition et souvent se dissociant dans le processus. Plusieurs étapes intermédiaires peuvent suivre, mais le mécanisme se termine par une réaction élémentaire biomoléculaire qui forme les produits qui ensuite désorber de la surface du catalyseur. Le taux global de la réaction dépend du taux de la plus lente étape élémentaire, qui peut être exprimée en termes de constantes d’équilibre des autres étapes élémentaires. Ce qui est important le taux dépend de la disponibilité du site catalytique de réactif et catalyseurs sont fabriqués et soutenus afin de maximiser la superficie. Maintenant que vous savez comment un catalyseur fonctionne au niveau atomique nous allons voir comment il est utilisé dans un réacteur pilote.

Pour cette réaction, nous utilisons un réacteur à flux plug tubulaire dans lequel réactifs sont ajoutés en permanence et les produits retirés en permanence. Le réacteur est un tube d’acier rempli de catalyseur, elle est contenue dans un bain de sable chauffé électriquement à température contrôlée. Les réactifs sont dirigés vers une pression constante mélange té avant d’entrer dans le réacteur. L’effluent du réacteur peut être ventilé ou d’entrée à un chromatographe en phase gazeuse pour l’analyse. Les débits sont surveillées à l’aide de compteurs de bulle et de rotamètres. Pour la sécurité, réactifs dilués, soupapes de décharge haute pression, haute température arrêt, bypass et systèmes d’évacuation et un détecteur de fuite de gaz combustible sont installés. Ce système est convenablement modélisé comme un réacteur d’écoulement depuis les conversions élevées et taux de réaction variables dans l’espace sont attendus. En appliquant ce modèle aux données réacteur effluent donne une expression de taux de droit de puissance pour la réaction catalysée. Cette expression fournit une mine de renseignements sur le catalyseur et preuve expérimentale du mécanisme de Langmuir-Hinshelwood. Ce sont les principes, maintenant nous allons démontrer un réacteur catalytique en laboratoire.

Dans cette démonstration, l’éthylène est hydrogénée dans un réacteur catalytique pour former l’éthane. Le réacteur est rempli de catalyseur de nickel sur un support de silice, mais aussi une silicone inerte remplisseur de carbure pour assurer un mélange. Commencez le chromatographe en phase gazeuse avec la vanne sur l’orifice d’injection échantillon fermé. Charger les méthodes appropriées. Puis laisser les paramètres instruments s’équilibrer à leurs points de réglage nécessaires. Placez-vous sur le flux d’air dans le bain de sable, puis vérifiez que le rotamètre lit constamment entre cinq et sept au cours de la procédure. Passer les lignes de réactif pour passer par le compteur de bulles et de commencer le débit de gaz. Utilisez le compteur de bulles pour régler le débit de réactif initial. Les ajustements de taux de flux ultérieurs n’avez pas besoin d’être mesurés par le compteur de bulles. Ensuite, vérifiez la composition du réactif en coulant des réactifs dans le réacteur bypass et à l’orifice du chromatographe en phase gazeuse.

Les gaz réactif peuvent maintenant être introduits dans le réacteur catalytique. Allumez le chauffage du bain de sable et entrez la température de consigne. Chauffage auxiliaire peut être utilisé avec la commande automatique de température, mais lorsque la consigne est atteinte qu’ils doivent être éteints manuellement car ils ne sont pas régis par le système de contrôle. Lorsque la température se stabilise à la valeur de consigne, continuer à nourrir les réactifs dans le réacteur. Surveiller régulièrement produit débit et température. Si le flux de produit s’arrête ou emballement de température se produit, rapidement fermer les vannes de réactif et fermer tous les radiateurs, mais maintenir le flux d’air pour le bain de sable. Prélever des échantillons du produit gazeux régulièrement pour chromatographie en phase gazeuse. La méthode génère des chromatogrammes séquentielles des composantes échantillon y compris n’importe quel gaz n’ayant pas réagi. Fermer le réacteur en appuyant sur le bouton d’arrêt d’urgence sur le contrôleur de température de bain de sable. Régler le régulateur de débit de l’éthylène à zéro pour cent et de fermer toutes les vannes. Attendez deux minutes avant de faire la même chose pour l’hydrogène. Maintenir le flux d’air pour le bain de sable jusqu'à ce qu’il atteigne la température ambiante.

La réaction est effectuée dans des conditions limitant l’éthylène et limitant l’hydrogène. Production de l’éthane est mesurée à des concentrations de réactifs différents par chromatographie en phase gazeuse. Ces données brutes sont converties en conversions fractionnaires et réactif espace fois. Les données sont régressées aux expressions de taux de puissance-loi du procès et le meilleur ajustement sélectionné. Dans ce cas, la meilleure expression de taux comprend concentration d’éthylène à la première puissance et concentration d’hydrogène à la puissance d’un quart. Cette expression indique que l’hydrogène est fortement adsorbé dans le catalyseur, tandis que l’éthylène s’adsorbe faiblement. C’est le mécanisme cohérent de Langmuir-Hinshelwood contrôle cinétique.

Réacteurs catalytiques pilotes sont généralement industriellement pour étudier les effets des catalyseurs et des conditions de réaction sur la synthèse chimique. La synthèse de Fischer-Tropsch produit alcane et carburants alcane de monoxyde de carbone et d’hydrogène. Industriellement, elle est souvent réalisée dans un réacteur à lit fixe à l’aide de catalyseurs de fer, de cobalt ou de ruthénium. La réaction n’est pas hautement sélectionnée et génère plusieurs produits par une variété de voies réactionnelles qui varient basée sur le choix du catalyseur. Recherche fondamentale continue dans sa composition de mécanisme et de produit. Le procédé Haber - Bosch utilise l’hydrogène et azote pour produire de l’ammoniac, surtout pour les engrais artificiels. C’est un processus intensif de l’énergie, catalysé par le fer, ou moins fréquemment, les alliages de molybdène cobalt. Recherche se poursuit dans la longue durée de vie, haute sélectivité des catalyseurs pour augmenter les taux d’azote adsorbtion sans désactiver, réduisant ainsi la pression nécessaire. Ce processus a stimulé historiquement la théorie et la modélisation de la catalyse hétérogène et fait maintenant l’objet de conception de catalyseur algorithmique.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE dans les réacteurs de catalysés hétérogènes. Vous devez maintenant être familiarisé avec le mécanisme de base de la catalyse hétérogène, une procédure de fonctionnement d’un réacteur à l’échelle pilote et certaines applications. Comme toujours, Merci pour regarder.

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