Einführung in die Makrokinetik
Einfluss des Transportes auf die Reaktionsgeschwindigkeit
- Abb.1
- Teilschritte der Katalyse
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 Mikrokinetikzusammen. Die Reaktionsgeschwindigkeit r wird durch die effektive Geschwindigkeit ersetzt.
Spielen jedoch auch die Transportprozesse der Schritte (1) und (2) bzw. (6) und (7) eine Rolle, so spricht man von Makrokinetik der Reaktion.
Um die effektive Geschwindigkeit zu ermitteln, muss sichergestellt werden, dass die Mikrokinetik den langsamsten, 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 und enthält Informationen zum Verhältnis der effektiven Reaktionsgeschwindigkeit zur Transportgeschwindigkeit.
Es lassen sich qualitativ drei Fälle unterscheiden:
- Filmdiffusionsgebiet: Die effektive Reaktionsgeschwindigkeit ist schnell gegenüber den 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
Dieses Verhältnis ist temperaturabhängig:
Im kinetischen Bereich verläuft die Geschwindigkeitsänderung wie in homogenen Reaktionen, gemäß der Arrhenius-Gleichung.
Im Bereich der Porendiffusion wird der Anstieg kleiner, 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.
