HEK. Heterogene Katalyse. Reaktionstechnik. Versuchsziel. INW - Ingenieur- und NaturWissenschaften

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1 HEK Heterogene Katalyse Versuchsziel Auf der Grundlage von Ergebnissen aus Laborreaktoren ist es möglich durch die Ermittlung kinetischer Daten über den Reaktionsablauf Erkenntnisse zu gewinnen, die den Ausgangspunkt für die Auslegung von technischen Reaktionsapparaten und der reaktionstechnischen Simulierung ihres Betriebsverhaltens darstellen. Am Beispiel der Hexanspaltung soll ein vollständiger Datensatz in einem Integralreaktor ermittelt werden und aus diesem soll ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Zielgrößen und den Betriebsvariablen hergestellt werden. -- PA_HEK -- Seite 1/6

2 Beschreibung der Versuchsapparatur Die Versuchsapparatur besteht im wesentlichen aus der Trägergas- und Flüssigkeitsdosierung, dem Verdampfer, dem eigentlichen Reaktor und der Gasanalyse. Die Dosierung für Inertgas erfolgt mittels Massendurchflußregler, die n-hexandosierung mit Hilfe einer Spritzenpumpe. Die Gase werden entweder über den Bypass oder Reaktor der Gasanalyse zugeführt. Die Umschaltung erfolgt mit den Kugelhähnen 3WH-4 und K-4. Bei dem Reaktor handelt es sich um einen beheizten Festbettreaktor. Dieser Reaktor ist mit 2 g Zeolith-Katalysator gefüllt und wird von oben mit einem Gasgemisch aus n-hexan und Helium durchströmt. Das Bypass- bzw. das Produktgas wird mit Hilfe einer Probenschleife (100µl bei 90 C) dem Gaschromatographen zur Analyse zugeführt. Auswerteverfahren Aus der Literatur ist bekannt, dass die Spaltung nach einem Geschwindigkeitsansatz 1.Ordnung abläuft. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeitskonstanten unter dieser Annahme aus der Bilanzierung eines kontinuierlich betrieben Strömungsrohres ermittelt werden können. Versuchsdurchführung Die Apparatur ist bereits eingeschaltet und sollte stationär im Bypassbetrieb laufen. Machen Sie sich zuerst mit dem Aufbau und der Funktion der Anlage vertraut (s. Schema). Zu Beginn werden 1-2 Bypassproben zur Bestimmung der Ausgangskonzentration analysiert. Nach konstanten Bypasswerten wird die katalytische Reaktion durch Umlegen der Ventile K-4 und 3WH-4 gestartet. Nach 15 Minuten wird die erste Probe des Produktgemischs genommen. Erhöhen Sie direkt nach der Probenahme die Reaktortemperatur um 30K. Nach Erreichen der Temperaturkonstanz wird eine weitere Analyse gezogen bis eine Reaktortemperatur von 450 C erreicht ist. Schalten Sie anschließend die Spritzenpumpe aus, das Inertgas jedoch nicht. -- PA_HEK -- Seite 2/6

3 Auswertung Aus den bestimmten Umsatzgraden sollen die Geschwindigkeitskonstanten berechnet werden. Ein Arrheniusdiagramm (ln k = f(1/t)) ist anzufertigen. Ein Diagramm mit dem Verhältnis C2/C4 und i-butan/(c1+ C2) als Funktion der Temperatur ist anzufertigen. Diskutieren sie die Ergebnisse des Arrheniusdiagramms und der Produktverteilung. Bestimmen sie die Aktivierungsenergien und die Werte für k0. VORBEREITUNGS- UND VERSTÄNDNISFRAGEN 1. Was ist Cracken? 2. Welche Produkte entstehen beim Cracken von n-hexan? 3. Was sind die Hauptprobleme bei der heterogenen Katalyse? 4. Was ist ein heterogener Katalysator? 5. Wie kann man Geschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie bei einer Reaktion 1. Ordnung aus Daten des Integralreaktors (ideales Strömungsrohr) bestimmt werden? 6. Was sind Zeolithe? 7. Wodurch besitzen sie sauren Charakter? BENÖTIGTE MATERIALIEN Schutzbrille Schutzhandschuhe Laborkittel Taschenrechner/ggf. Laptop -- PA_HEK -- Seite 3/6

4 VERWENDETE STOFFE n-hexan > 95% CAS Nr Zündtemperatur 240 C ueg 1,0 % oeg 8,1 % H-Sätze 225/315/361f/336/ 373/304/411 P-Sätze 210/281/273/ / 331/ Wassergefährdungsklasse WGK 2 Molare Masse 86,18 g/mol Dichte 0,66 g/cm³ Sonstiges -- PA_HEK -- Seite 4/6

5 ANHANG 1 Mögliche Retentionszeiten Methan Ethan Ethen Propan Propen Butane Butene Pentane i n tr-2-1- i- cis-2- cyclo- i- n- RMR - Umrechnungsfaktoren in 0,1ml PS sind mmol Area RMR-Faktor Methan 100 Ethen 178 Propen 278 MeOH 76,5 i-butan 400 i-buten 378 n-butan 400 n-buten C4 - unges Methyl-1-Buten C-5(1) 578 C-5(2) Eine Umrechnung auf die entsprechenden Kalibrierungen bzw. Bypasswerte ist vorher zu tätigen, da sich die Einstellung des GCs bzw. der Anlage ändert. Die Verhältnisse der einzelnen Kalibrierfaktoren zueinander bleiben gleich! -- PA_HEK -- Seite 5/6

6 ANHANG 2 GC - FID Legende F Filter KV Kipphebelventil K Kugelhahn NV Nadelventil RK Rückschlagklappe PV Pneumatisches Ventil 3WH 3-Wege-Kugelhahn RV Regulierventil SDV Staudruckventil SV Sicherheitsventil TIC Temperatursensor PIC Drucksensor PI Druckanzeige KV-2 Probenschleifenventil TIC-7 G LD He H2 N2 KW Thermostat F-1 F-2 Spülgas MFC1 K-1 RK-1 NV-1 RK-2 Trägergas MFC2 3WH-1 KV-1 K-2 K-3 RK-4 PV-1 PI-3 PI-1 Integralreaktor TIC-1 LD Verdampfer M Differentialkreislaufreaktor TIC-2 F-3 TIC-6 TIC-5 TIC-3 SV-1 3WH-2 NV-2 K-4 RV-4 RV-3 PI-2 3WH-4 PIC-1 SDV-1 RV-1 3WH-3 RV-2 TIC-4 Spritzenpumpe RK-5 Gasphasenanlage mit integriertem Integral- und Differentialreaktor -Ströme- F F F -- PA_HEK -- Seite 6/6