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Reactor catalítico: Hidrogenación de etileno

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Catalizadores son materiales que se agregan a los sistemas de reacción al aumentar la velocidad de reacción. Porque catalizadores no se consumen en la reacción, se utilizan en muchos procesos de escala industrial. Catalizadores de aumentan tarifa de la reacción proporcionando una vía alternativa mecanicista con un más bajo energía de activación, que es la energía mínima necesaria para que una reacción proceder. Reacciones catalíticas pueden ser homogénea, lo que significa que el catalizador y el reactivo está en la misma fase, o heterogéneo, lo que significa que el catalizador y los reactivos están en distintas fases. Por lo general, son sólidos, catalizadores heterogéneos entidades de escala nanométrica dispersión en un material de apoyo. La reacción catalítica comienza con la adsorción de los reactantes al sitio activo de la superficie de la nano-partícula, seguido por la reacción y luego desorción de los productos. Reactores con catalizadores heterogéneos son fundamentales para diversos procesos de escala industrial, como la producción de combustibles de hidrocarburos. Este video ilustra los principios de reactores catalíticos y catalizadores heterogéneos, demuestra un proceso de hidrogenación de etileno catalizada piloto y discute algunas aplicaciones.

Los catalizadores heterogéneos más comunes para reacciones en fase gaseosa son nanocristales de metal de la transición. Funcionan con frecuencia por el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Este hipotético mecanismo comienza con el reactivo de adsorción a la superficie del catalizador, deslocalizandose sus electrones en los orbitales vacíos de los átomos del metal de la transición y disociar a menudo en el proceso. Pueden seguir varios pasos intermedios, pero el mecanismo concluye con una reacción elemental de biomolecular que forma los productos que luego desorción de la superficie del catalizador. La tasa de reacción depende de la velocidad del más lento paso elemental, que puede expresarse en términos de las constantes de equilibrio de lo elemental. Lo importante es que la velocidad depende de la disponibilidad del sitio catalítico de reactivo y catalizadores son fabricados y para maximizar el área de la superficie. Ahora que sabes cómo un catalizador funciona a nivel atómico vamos a ver cómo se utiliza en una configuración de reactor piloto.

Para esta reacción se utiliza un reactor de flujo tubular enchufe en que reactivos se añaden continuamente y productos retirados continuamente. El reactor es un tubo de acero lleno de catalizador, está contenido en un baño de arena de temperatura calentado eléctricamente controlada. Los reactivos se canaliza a una presión constante t de mezcla antes de entrar en el reactor. El efluente del reactor puede ser con ventilación o entrado a un cromatógrafo de gases para el análisis. Caudales se controlan mediante rotámetros y metros de burbuja. Para seguridad, reactivos diluidos, válvulas de alivio de alta presión, alta temperatura apagado, derivación y sistemas de ventilas y un detector de fugas de gas combustible están instalados. Este sistema se modela adecuadamente como un reactor de flujo tapón desde altas conversiones y se espera que los índices de reacción espacial variable. Aplicando este modelo a los datos de efluentes del reactor produce una expresión de tasa de ley de energía para la reacción catalizada. Esta expresión proporciona una riqueza de información sobre el catalizador y proporciona la evidencia experimental para el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Ésos son los principios, ahora vamos a demostrar un reactor catalítico en el laboratorio.

En esta demostración es hidrogenado etileno en un reactor catalítico para formar etano. El reactor está lleno de catalizador de níquel sobre un soporte de sílice, así como una silicona inerte relleno de carburo para asegurar una mezcla. Iniciar el cromatógrafo de gas con la válvula en el puerto de inyección de muestra cerrado. Carga los métodos apropiados. Entonces permita que los parámetros instrumentales equilibrar a sus puntos de ajuste necesarios. Encender el flujo de aire para el baño de arena, y luego asegurar que el rotámetro constantemente lee entre cinco y siete en el transcurso del procedimiento. Cambiar las líneas de reactivo para pasar por el medidor de burbuja y comenzar el flujo de gas. Utilice el medidor de burbuja para fijar el caudal de reactivo inicial. Ajustes del tipo de flujo posterior no necesita ser medido a través del medidor de burbuja. A continuación, Compruebe la composición del reactivo por el fluir de los reactantes a través de la derivación del reactor y en el puerto de entrada del cromatógrafo de gases.

Los gases de reactivo pueden entrar ahora al reactor catalítico. Encienda el calentador de baño de arena y entrar en el set-point de temperatura. Calentadores auxiliares pueden utilizarse con control automático de temperatura, pero cuando se alcanza el punto hay que desconectar manualmente ya que no se rijan por el sistema de control. Cuando la temperatura se estabilice en el punto de ajuste, continúe alimentando los reactivos al reactor. Controlar el caudal de producto y la temperatura regularmente. Si el flujo de producto paradas, o fuera de rango de temperatura se produce, rápidamente cierre las válvulas del reactivo y apague todos los calentadores, pero mantener el flujo de aire para el baño de arena. Tomar muestras del producto gaseoso regularmente para cromatografía de gases. El método genera cromatogramas secuenciales de los componentes de la muestra incluyendo cualquier gas no reaccionado. Cerrar el reactor pulsando el botón de parada de emergencia en el controlador de temperatura del baño de arena. Ajuste el regulador de flujo de etileno de cero por ciento y cerrar todas las válvulas. Espere dos minutos antes de hacer lo mismo para el hidrógeno. Mantener el flujo de aire para el baño de arena hasta que alcance temperatura ambiente.

La reacción se lleva a cabo bajo condiciones limitantes de etileno y limitación de hidrógeno. Producción de etano se mide en las concentraciones de reactivo diferentes a través de cromatografía de gases. Este datos en bruto se convierten en conversiones fraccionarias y reactivo espacio veces. Los datos se regresan a expresiones de ensayo tipo ley de potencia y el mejor ajuste seleccionado. En este caso, la mejor expresión de la tasa incluye la concentración de etileno elevada a la primera potencia y concentración de hidrógeno a la potencia de una cuarta parte. Esta expresión indica que hidrógeno adsorbe fuertemente al catalizador, mientras que el etileno se adsorbe débilmente. Es constante mecanismo de Langmuir-Hinshelwood cinéticamente controlado.

Piloto de reactores catalíticos suelen ser industrialmente estudiar los efectos de los catalizadores y condiciones de reacción en síntesis química. La síntesis Fischer-Tropsch produce alcanos y alcanos combustibles de monóxido de carbono e hidrógeno. Industrialmente, a menudo se realiza en un reactor de lecho fijo utilizando catalizadores de hierro, cobalto o rutenio. La reacción no está altamente seleccionada y genera varios productos a través de una variedad de caminos de reacción que varían en la elección del catalizador base. La investigación básica sigue en su mecanismo y producto composición. Haber – Bosch proceso utiliza hidrógeno y nitrógeno para producir amoníaco, lo más importante de fertilizantes artificiales. Es un proceso intensivo de energía catalizado por el hierro, o menos frecuentemente, aleaciones de molibdeno cobalto. La investigación es proceder en la vida útil larga, alta selectividad de catalizadores para aumentar las tasas de adsorbtion de nitrógeno sin desactivar, reduciendo así la presión necesaria. Este proceso ha impulsado históricamente la teoría y modelación de catálisis heterogénea y es ahora el tema de diseño computacional de catalizador.

Sólo ha visto introducción de Zeus a reactores catalizados heterogéneos. Ahora debe estar familiarizado con el mecanismo básico de catálisis heterogénea, un procedimiento para el funcionamiento de un reactor piloto y algunas aplicaciones. Como siempre, gracias por ver.

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