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Ablauf der heterogenen Katalyse

Einfluss des Transportes auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Abb.1
Teilschritte der Katalyse
aus Folienserie/Textheft 19 (Katalyse), Fonds der chemischen Industrie, S. 48, Folie 26

mit freudlicher Genehmigung des Fonds der chemischen Industrie

Die Adsorptions- (3) und Desorptionsschritte (5) der katalytischen Reaktion können nicht getrennt von der Oberflächenreaktion (4) betrachtet werden. Man fasst sie unter dem Begriff Mikrokinetik zusammen.

Spielen jedoch auch die Transportprozesse der Schritte (1) und (2) bzw. (6) und (7) eine Rolle, so spricht man von Makrokinetik der Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit r wird durch die effektive Geschwindigkeit reff ersetzt.

Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu ermitteln, muss sichergestellt werden, dass die Mikrokinetik den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt darstellt.

Eine Unterdrückung des Einflusses durch die Diffusion erhält man durch:

  • Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit geringerer Filmdiffusionswiderstand
  • Verkleinerung des Korndurchmessers kürzere Diffusionswege kürzere Porendiffusion

Konzentrationsverlauf

Das Konzentration-Ort-Diagramm zeigt den Verlauf der Konzentration über das Katalysatorteilchen.

Es lassen sich qualitativ drei Fälle unterscheiden:

  • Filmdiffusionsgebiet: Die effektive Reaktionsgeschwindigkeit ist schnell gegenüber den äußeren Diffusionsvorgängen.
  • Porendiffusionsgebiet: Die Reaktion ist schnell gegenüber der Porendiffusion, gegenüber der Filmdiffusion allerdings langsam.
  • Kinetisches Gebiet: Die Reaktion ist langsam im Vergleich zu den Diffusionsvorgängen.

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Abb.2

Die einzelnen Teilschritte werden unterschiedlich stark von der Temperatur beinflusst.

Abb.3

Im kinetischen Bereich verläuft die Geschwindigkeitsänderung wie in homogenen Reaktionen, gemäß der Arrhenius-Gleichung.

Im Bereich der Porendiffusion steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur langsamer an, da die Reaktion zunehmend mehr im äußeren Bereichen des Korns abläuft und somit ein geringerer Anteil des Katalysators aktiv ist.

Bei hohen Temperaturen ist die Filmdiffusion geschwindigkeitsbestimmend und die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten nur noch schwach zu.

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