Login processing...

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

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

 

Katalytischen Reaktor: Hydrierung von Ethylen

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Katalysatoren sind Materialien, die Reaktionssysteme, erhöhen Sie die Geschwindigkeit der Reaktion hinzugefügt werden. Da Katalysatoren in der Reaktion nicht verbraucht werden, werden sie in vielen industriellen Prozessen eingesetzt. Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit indem eine mechanistische alternativen Wegs mit eine niedrigere Aktivierungsenergie, die mindestens benötigte Energie für die Reaktion auf das Vorgehen ist. Katalytische Reaktionen kann entweder homogen, was bedeutet, dass der Katalysator und Reaktanten in der gleichen Phase oder heterogen, was bedeutet, dass der Katalysator und Reaktanten in unterschiedlichen Phasen befinden. In der Regel heterogene Katalysatoren sind solide, nanoskalige Objekte verstreut auf einem Trägermaterial. Die katalytische Reaktion beginnt mit Adsorption der Edukte zur aktiven Seite auf der Oberfläche der Nano-Partikel, gefolgt von der Reaktion und dann desorption der Produkte. Reaktoren mit heterogenen Katalysatoren sind zentral für mehrere industrielle Prozesse, z. B. die Produktion von Kohlenwasserstoff-Brennstoffe. Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien von heterogenen Katalysatoren und katalytische Reaktoren, zeigt eine Pilotmaßstab katalysierten Hydrierung Ethylenverfahren und bespricht einige Anwendungen.

Die am häufigsten verwendeten heterogene Katalysatoren für Gasphasen-Reaktionen sind Übergangsmetall-Nanokristalle. Sie arbeiten häufig mit der Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Dieser hypothetische Mechanismus beginnt mit der Edukte adsorbierenden, Katalysatoroberfläche ihrer Bindung Elektronen in die leere orbitale der Atome Übergangsmetall abbauen und dabei oft entkoppelt. Einige Zwischenschritte können folgen, aber der Mechanismus schließt mit einer biomolekularen elementare Reaktion, die die Produkte bildet, die dann von der Katalysatoroberfläche desorbieren. Die allgemeine Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Rate der langsamste elementarer Schritt, die konstanten Gleichgewicht von die anderen elementare Schritte ausgedrückt werden kann. Wichtiger ist die Rate hängt von der Verfügbarkeit des katalytischen reaktive Website und Katalysatoren sind hergestellt und unterstützt, um die Fläche zu maximieren. Nun da Sie wissen, wie ein Katalysator funktioniert auf atomarer Ebene wollen wir sehen Sie, wie es in einem pilot-Reaktor-Setup verwendet wird.

Für diese Reaktion verwenden wir einen röhrenförmigen Stecker Fluss Reaktor in welche Edukte kontinuierlich hinzugefügt werden und Produkte kontinuierlich zurückgezogen. Der Reaktor ist ein Stahlrohr mit Katalysator verpackt, es befindet sich in einem elektrisch beheizten temperaturgeregelte Sandbad. Die Edukte sind um einen konstanten Druck mischen Abschlag vor dem Eintritt in den Reaktor gepumpt. Das Reaktor-Abwasser sein belüftet oder input für einen Gaschromatographen für die Analyse. Durchflussmengen sind mit Blase Meter und Rotametern überwacht. Für Sicherheit, verdünnte Reaktanden, hohe Überdruckventile, Hochtemperatur Herunterfahren Bypass und Entlüftung Systeme und ein brennbares Gas Lecksuchgerät installiert. Dieses System ist entsprechend modelliert als Pfropfenströmung Reaktor seit hohen Umsätzen und räumlich Variablen Reaktionsgeschwindigkeiten werden erwartet. Anwendung dieses Modells auf die Reaktor-Abwasser-Daten ergibt sich einen Kraft Gesetz Rate Ausdruck für die katalysierten Reaktion. Dieser Ausdruck bietet eine Fülle von Informationen über den Katalysator und bietet experimentelle Belege für die Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Das sind die Grundsätze, jetzt lassen Sie uns einen katalytischen Reaktor im Labor zu demonstrieren.

In dieser Demo ist Ethylen in einem katalytischen Reaktor zu Ethan hydriert. Der Reaktor ist vollgepackt mit Nickel Katalysator auf eine Silica-Unterstützung sowie einem inerten Silikon Karbid Füller dafür mischen. Starten Sie Gaschromatographen mit dem Ventil am Beispiel Injektion Port geschlossen. Laden Sie die entsprechenden Methoden. Dann können Sie die Geräteparameter, um ihre gewünschten Sollwerte equilibrate. Schalten Sie den Luftstrom um das Sandbad, dann sicherstellen Sie, dass der Rotameter konsequent zwischen fünf und sieben im Laufe des Verfahrens liest. Wechseln Sie die Reaktanten Linien, um die Blase Meter durchlaufen und Gasstrom zu beginnen. Verwenden Sie die Blase Meter auf die anfängliche Edukt-Durchflussmenge eingestellt. Nachfolgende Strömung Tarifanpassungen müssen nicht durch die Blase Meter gemessen werden. Überprüfen Sie als nächstes die Reaktanten Zusammensetzung von fließt der Reaktanden durch den Reaktor-Bypass und in die Einlassöffnung Gaschromatographen.

Die Reaktanten Gase können jetzt zu den katalytischen Reaktor eingegeben werden. Schalten Sie die Heizung Sandbad und geben Sie den Temperatur-Sollwert ein. Zuheizer mit automatischer Temperaturregelung verwendet werden, aber wenn der Sollwert erreicht ist sie müssen manuell ausgeschaltet werden da sie nicht die Steuerung unterliegen. Wenn die Temperatur an den Sollwert stabilisiert, weiter füttern die Reaktanden in den Reaktor. Überwachen Sie Produkt-Durchfluss und Temperatur regelmäßig. Wenn Produkt fließen Haltestellen oder Temperatur Runaway auftritt, schnell die Reaktanten Ventile schließen und alle Heizungen abgeschaltet, aber Luftstrom um das Sandbad zu erhalten. Nehmen Sie Proben von gasförmigen Produkt regelmäßig für die Gaschromatographie. Die Methode generiert sequentielle Chromatogramme Bestandteile der Probe, einschließlich nicht umgesetztes Gas. Herunterfahren des Reaktors durch Drücken der Not-Aus-Taste auf das Sandbad Temperaturregler. Festlegen Sie den Ethylen-Regler auf Null Prozent und alle Ventile schließen. Warten Sie zwei Minuten vor tut das gleiche für den Wasserstoff. Luftstrom um das Sandbad zu erhalten, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.

Die Reaktion wird unter Ethylen-Begrenzung, und Wasserstoff einschränkenden Bedingungen durchgeführt. Ethan Produktion wird bei verschiedenen Reaktanten Konzentrationen durch Gaschromatographie gemessen. Diese Rohdaten werden in gebrochene Umbauten und Reaktanten Raum Mal umgewandelt. Die Daten ist trial Potenzgesetz-Satz ausdrücken und die beste Passform ausgewählt zurückgebildet. In diesem Fall beinhaltet der beste Tarif Ausdruck Ethylenkonzentration potenziert mit dem ersten und Wasserstoffkonzentration Viertel hoch. Dieser Ausdruck bedeutet, dass Wasserstoff des Katalysators stark absorbiert, während Ethylen schwach absorbiert. Es ist konsequent kinetisch kontrollierten Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus.

Pilotmaßstab Katalyse-Reaktoren sind in der Regel industriell Studie zu den Auswirkungen von Katalysatoren und Reaktionsbedingungen auf chemische Synthese. Die Fischer-Tropsch-Synthese produziert Alkan und Alkan Brennstoffe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Industriell wird es oft in einem festen Bett Reaktor mit Eisen, Kobalt oder Ruthenium-Katalysatoren durchgeführt. Die Reaktion ist nicht sehr ausgewählt und erzeugt mehrere Produkte über verschiedene Reaktionswege, die variieren basierend auf die Wahl des Katalysators. Grundlagenforschung geht in seiner Zusammensetzung Mechanismus und Produkt. Das Haber - Bosch-Verfahren nutzt Wasserstoff und Stickstoff, um Ammoniak, vor allem für Kunstdünger zu produzieren. Es ist ein Energie intensiver Prozess katalysiert durch Eisen, oder weniger häufig, Kobalt-Molybdän-Legierungen. Forschung schreitet in lange Lebensdauer, hohe Selektivität Katalysatoren zu Stickstoff Bleicherde Preise ohne zu deaktivieren, wodurch den nötigen Druck. Dieser Prozess hat historisch angespornt, die Theorie und Modellierung der heterogenen Katalyse und ist jetzt das Thema Katalysator computational Design.

Sie habe nur Jupiters Einführung in heterogen katalysierten Reaktoren beobachtet. Sie sollten jetzt mit Grundmechanismus der heterogenen Katalyse, ein Verfahren zum Betrieb eines Reaktors Pilotmaßstab und einige Anwendungen vertraut sein. Wie immer vielen Dank für das ansehen.

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter