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Praktikum Dehydratisierung

Einflussgrößen der Katalyse

Chemische und physikalische Teilschritte heterogen katalysierter Reaktionen

Neben der chemischen Reaktion sind folgende Diffusions-, Adsorptions- und Desorptionsvorgänge für den Ablauf der Gesamtreaktion von Bedeutung:

  1. Diffusion der Edukte aus der Hauptströmung durch die laminare Grenzschicht an die Katalysatoroberfläche (Filmdiffusion)
  2. Diffusion der Edukte in die Poren (Poren- und Knudsen-Diffusion)
  3. Adsorption der Edukte an der inneren Oberfläche
  4. Ablauf der chemischen Reaktion an der Katalysatoroberfläche
  5. Desorption der Reaktionsprodukte von der Katalysatoroberfläche
  6. Diffusion der Reaktionsprodukte aus dem Poreninneren an die Katalysatoroberfläche
  7. Diffusion der Reaktionsprodukte von der Katalysatoroberfläche durch die laminare Grenzschicht in die Hauptströmung

Teilschritte einer heterogen katalysierten Reaktion

Die Punkte 3. bis 5. stellen die Mikrokinetik der heterogen katalysierten Reaktion dar. Wirken Stofftransportvorgänge (Punkte 1., 2., 6., 7.) limitierend auf den gesamten Reaktionsablauf ein, so wird von der Makrokinetik der Reaktion gesprochen. Sollen Aussagen zur chemischen Kinetik der Reaktion getroffen werden, dürfen die Stofftransportvorgänge nicht limitierend für die Reaktionsgeschwindigkeit sein.

Man unterscheidet bei den Transportvorgängen zwischen äußerer Diffusion oder Filmdiffusion (Punkte 1. und 7.) und innerer Diffusion oder Porendiffusion. Bezüglich ihres Einflusses auf die Limitierung der Reaktion ist folgende Unterscheidung möglich:

  • Die äußere Diffusion ist limitierend, wenn der Umsatz (bei konstanter Katalysatorbelastung) abhängig vom (Mol)-Durchsatz ist.
  • Die innere Diffusion ist limitierend, wenn der Umsatz abhängig vom Durchmesser der Katalysatorpartikel ist.

Die komplexen Zusammenhänge zwischen chemischer Umsetzung und gleichzeitigem Stoff-, Wärme- und Impulstransport werden mathematisch durch Bilanzgleichungen erfasst.

Bilanzgleichungen

Ausgangspunkt für die Aufstellung der Bilanzgleichungen sind die Erhaltungssätze für Stoff, Wärme und Impuls, die von Damköhler durch das so genannte Quellglied erweitert wurden. Die Implusbilanz wird im Allgemeinen vernachlässigt. Sie muss dann berücksichtigt werden, wenn größere Druckgradienten im Reaktor auftreten (z.B. bei Flammenreaktionen). Die Stoff- und Wärmebilanz sind über die Reaktionsgeschwindigkeit miteinander verbunden.

Tab.1
Für die Stoffbilanz gilt:
EinflussVorgang
+Durch Konvektion in den Bilanzraum eintretende Stoffmenge
-Durch Konvektion aus dem Bilanzraum austretende Stoffmenge
+Durch Diffusion in den Bilanzraum eintretende Stoffmenge
-Durch Diffusion aus dem Bilanzraum austretende Stoffmenge
+Durch Phasenübergang in den Bilanzraum eintretende Stoffmenge
-Durch Phasenübergang aus dem Bilanzraum austretende Stoffmenge
+Durch chemische Reaktion im Bilanzraum gebildete Stoffmenge
-Durch chemische Reaktion im Bilanzraum verbrauchte Stoffmenge
------------------------------------------------------------------
=Zeitliche Änderung der Stoffmenge
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Zur Aufstellung eines Reaktormodells muss ein Bilanzraum definiert werden. Dieser kann unterschiedlich groß sein. Er umfasst im Fall des kontinuierlichen Rührkessels den verfügbaren Reaktionsraum oder im Fall des Strömungsrohrreaktors ein differentielles Volumenelement.

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