Bài giảng Kỹ thuật xúc tác - Chương 6: Phương pháp nghiên cứu đánh giá xúc tác - Nguyễn Ánh Nga

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật xúc tác - Chương 6: Phương pháp nghiên cứu đánh giá xúc tác - Nguyễn Ánh Nga

1. LOGO Th.S Nguyễn Ánh Nga
2. CÁCH XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA XÚC TÁC ▪ Đánh giá hoạt tính của khối tiếp xúc trong điều kiện sản xuất thường thông qua phép tính tốc độ của phản ứng trong một đơn vị thể tích khối tiếp xúc dGsp dG = k C hay − phanung = k C vdt vdt ∆C = f(Cp.ứng) – hàm phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia phản ứng www.themegallery.com
3. CÁCH XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CỦA XÚC TÁC ▪ Hoạt độ riêng của xúc tác cần phải tính cho tổng bề mặt trong được sử dụng hoàn toàn trong phản ứng dG sp = k c S vdt r Sr: bề mặt riêng dG C dx p.ung = d = k c Sr dt Sr dt Hai phương pháp cơ bản xác định hoạt độ ▪ Phương pháp tĩnh: tiến hành trong hệ thống kín. ▪ Phương pháp dòng: tiến hành trong các hệ thống mở www.themegallery.com
4. PHƯƠNG PHÁP TĨNH Là phương pháp tiến hành trong thể tích kín cho đến khi đạt được cân bằng nhiệt động hay đến khi chuyển hóa hoàn toàn một trong số các chất phản ứng ban đầu. Điều kiện: C T T i = 0; = 0; = 0 li li t Ci : là nồng độ cấu tử i trong hỗn hợp phản ứng T : nhiệt độ; li : hoành độ của hệ phản ứng ; t : thời gian www.themegallery.com
5. PHƯƠNG PHÁP TĨNH Ưu điểm: khả năng làm việc với lượng nhỏ chất tham gia phản ứng với chất xúc tác ở bất kỳ dạng nào và thu được toàn đường động học trong một thí nghiệm với phép đo có thể đạt độ nhạy và độ chính xác cao. Phương pháp tĩnh thường được sử dụng trong các trường hợp khi thành phần của hỗn hợp phản ứng biến đổi không đáng kể, còn hoạt độ bề mặt và thành phần bề mặt của chất xúc tác biến đổi diễn ra nhanh một cách đáng kể. www.themegallery.com
6. PHƯƠNG PHÁP TĨNH Phản ứng trong pha lỏng là một loại phương pháp tĩnh (ví dụ như hydro hóa các chất hữu cơ). Vì độ nhạy không cao của phương pháp (khác với phương pháp tĩnh trong pha khí) nên thường sử dụng chất xúc tác tác dụng hạt, bột, mà không dùng ở dạng phiến hay sợi. Phương pháp này ngày nay ít được sử dụng vì có quan hệ đến đặc trưng tích phân www.themegallery.com
7. PHƯƠNG PHÁP DÒNG (ĐỘNG HỌC) Phương pháp này được sử dụng phổ biến Trong các hệ thống dòng: dòng của các chất phản ứng với tốc độ xác định qua thể tích phản ứng có chứa chất xúc tác và tiến hành đo lường các thông số của quá trình Phương pháp dòng cho phép tiến hành nghiên cứu động học ở các điều kiện cần thiết Hai dạng phổ biến của phương pháp dòng: dòng không có gradient và dòng tuần hoàn www.themegallery.com
8. PHƯƠNG PHÁP DÒNG (ĐỘNG HỌC) Phương pháp là phương pháp tích phân và liên tục, cho phép thực hiện quá trình giữ ở các điều kiện đặt ra như nhiệt độ, nồng độ, áp suất, tốc độ dài và tốc độ thể tích của dòng vào thiết bị phản ứng. Dạng thiết bị loại này được bố trí đơn giản hơn, còn độ nhạy thấp hơn các hệ tĩnh. www.themegallery.com
9. PHƯƠNG PHÁP DÒNG (ĐỘNG HỌC) ▪ Ưu điểm: là có thể xác định được hoạt độ của xúc tác ở trạng thái ổn định của chất xúc tác, cấu trúc đơn giản, làm việc liên tục, có thể kiểm tra chất xúc tác trong các điều kiện gần với sản xuất ▪ Nhược điểm của phương pháp là không có khả năng đo trực tiếp tốc độ phản ứng và khó thực hiện trong các điều kiện lý tưởng của chế độ chảy lý tưởng. www.themegallery.com
10. PHƯƠNG PHÁP DÒNG (ĐỘNG HỌC) www.themegallery.com
11. PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN ▪ Thuyết minh quy trình: Hỗn hợp khí qua thiết bị hỗn hợp (2) vào bình phản ứng với khối tiếp xúc (3). Bình (3) được bố trí trong lò điện (4). Lò (4) có lắp dây xoắn Ni – Cr cho phép điều chỉnh nhiệt độ ở các phần khác nhau của lớp xúc tác đủ cho gần đúng đẳng nhiệt. Sự dao động nhiệt độ theo lớp 0 xúc tác không được vượt quá 5 C. Xác định SO2 trước và sau ống tiếp xúc. www.themegallery.com
12. PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN ▪ Phương pháp này thực hiện trong các điều kiện không có trong thực tế trong vùng phản ứng của các thông số nồng độ và nhiệt độ. ▪ Nguyên tắc của nó được ứng dụng để nghiên cứu động học của các phản ứng xúc tác dị thể ▪ Việc trộn trong hệ dòng tuần hoàn đạt được do sự tuần hoàn mạnh hỗn hợp phản ứng qua xúc tác trong thể tích đóng kín khi nhập liên tục và ra liên tục của dòng khí www.themegallery.com
13. PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN www.themegallery.com
14. PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN Mạch tuần hoàn được trợ giúp của bơm điện từ (3) (năng suất 600-1000 l/giờ), van điều chỉnh (2) (tác dụng đôi) và thiết bị phản ứng (1) bố trí trong lò điện (hình 3) Tốc độ dài khá lớn của hỗn hợp phản ứng trong chu trình và độ chuyển hóa thấp sẽ gây ra gradient cực tiểu của các nồng độ và nhiệt độ có thể xem như vô cùng nhỏ. www.themegallery.com
15. GC pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Tốc độ quá trình trong trường hợp này có thể xác định bằng các quan hệ Gsp Gp.ung x Csp C p.ung Csp Csp Gsp ;− ; ; ;− ;Vkhi ; w; v v    v H Srv Với v - thể tích xúc tác; w - vận tốc dài của khí Vkhí - thể tích khí; H - chiều cao của lớp xúc tác www.themegallery.com
16. GC pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Ưu thế cơ bản của phương pháp dòng tuần hoàn: • Đo được trực tiếp tốc độ của phản ứng trong mỗi thí nghiệm. • Dễ dàng đạt được ở nhiệt độ không đổi trong thiết bị phản ứng • Thực hiện quá trình ở chế độ gần như được khuấy trộn hoàn toàn • Có khả năng làm việc với lượng bất kỳ chất xúc tác cho đến mức độ chỉ có một hạt và với bất kỳ kích thước nào của hạt trong bình phản ứng. www.themegallery.com
17. GC pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Nhược điểm: • Hệ thống thiết bị phức tạp, lượng các chất tham gia phản ứng phải đủ lớn và thời gian cần lớn để đạt trạng thái ổn định Đóng góp quan trọng của phương pháp dòng tuần hoàn là phản ánh một cách toàn diện động học phản ứng. www.themegallery.com
18. PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN www.themegallery.com
19. GC pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Thuyết minh quy trình SO2, N2, O2 từ bình khí nén qua van điều tiết (2) vào hệ thống. Khí tiêu hao được điều chỉnh bởi van điều chỉnh (monostat) (4) và đo bằng lưu lượng kế (5). Sau đó khí vào vòng tuần hoàn. Để duy trì hoạt động các van sẽ giúp khống chế nồng độ SO3. Hộp van (7) điều chỉnh đóng, mở mạch thông với thiết bị phản ứng. Trong thời gian thực nghiệm người ta cho thiết bị phản ứng vào lò hình trụ với hệ điều chỉnh nhiệt độ tự động. Trang thiết bị như vậy cho phép làm việc ở các nhiệt độ từ O0 C đến 6200C. www.themegallery.com
20. GC pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Độ chuyển hoá x tính theo phương trình: (C − C )10000 x = đ c 100 −1.5Cc Cđ , Cc:là nồng độ đầu và cuối của SO2 www.themegallery.com
21. P GCO 2pung sp PHƯƠNG PHÁP DÒNG TUẦN HOÀN vt Hoạt độ của chất xúc tác được đặc trưng bằng hằng số tốc độ tính theo phương trình Boreskov: C .x. .V .103 1 1− 0,2x 1 đ o [ a .3600 P 1− x x2 xt O2 1− (1− x2 ) p K 2 02 p Cđ : nồng độ đầu SO2 , % thể tích x : độ vhuyển hoá , tỉ phần axt : lượng xúc tác, g ρ : mật độ chất đống của xúc tác Vo: tốc độ khí, tính theo điều kiện thường /h PO2 áp suất riêng pần của oxy trong khí ban đầu, atm Kp: hằng số cân bằng www.themegallery.com
22. P GCO 2pung sp PHƯƠNG PHÁP XUNG VI LƯỢNG vt Phương pháp xung nghiên cứu hoạt tính xúc tác thời gian gần đây được ứng dụng rộng rãi. Hệ thống phản ứng được ghép với sắc ký khí như hình 5. Chất phản ứng được bơm theo chu kỳ. Cột sắc ký giúp tách sản phẩm và các cấu tử không phản ứng của hỗn hợp. www.themegallery.com
23. PHƯƠNG PHÁP XUNG VI LƯỢNG www.themegallery.com
24. P GCO 2pung sp PHƯƠNG PHÁP XUNG VI LƯỢNG vt Thuyết minh quy trình Trong thiết bị phản ứng xúc tác xung vi lượng, qua hệ thống bơm chất phản ứng theo khí mang (trơ hay một số các chất phản ứng) với tốc độ không đổi vào bình phản ứng. Từ bình phản ứng khí mang vào cột ổn nhiệt của sắc ký khí và vào detector. Phương pháp cho phép trong thời gian ngắn đánh giá hoạt độ tương đối và độ chọn lọc của số lượng lớn các chất xúc tác ở các nhiệt độ khác nhau. www.themegallery.com
25. PHƯƠNG PHÁP XUNG VI LƯỢNG Các phương pháp xung không có lợi cho việc xác định hoạt độ của xúc tác trong các điều kiện ổn định. Nghiên cứu theo phương pháp xung (tiến hành nối tiếp nhau khi nhiệt độ không đổi) có thể theo dõi sự biến đổi của chất xúc tác trước khi bắt đầu trạng thái ổn định. www.themegallery.com
26. KẾT LUẬN Việc nghiên cứu xúc tác có tính chất tổng hợp, nên thường phải sử dụng đồng thời nhiều phương pháp để có thể thu được các đặc tính đầy đủ của chính các khối tiếp xúc và các điều kiện sử dụng chúng. www.themegallery.com