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Praktikum Dehydratisierung

Bestimmung der katalytischen Aktivität von Katalysatoren

Dehydratisierung von 2-Propanol

Die Dehydratisierung von Alkoholen wird durch Säuren katalysiert. Als feste Säuren können Al2O3 oder Alumosilicate eingesetzt werden.

Schematisch lässt sich der Mechanismus der Alkoholdehydratisierung wie folgt darstellen:

Abb.1
Parallelreaktionen für 2-Propanol

In dieser Parallelreaktion kann sich aus 2-Propanol einerseits Propen und andererseits Diisopropylether bilden. Die Etherbildung findet vorwiegend bei tiefen Reaktionstemperaturen statt. Bei Temperaturen über 250 °C wird vorzugsweise Propen gebildet.

Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz

Die Dehydratisierung von 2-Propanol an Al2O3-Katalysatoren verläuft nach einem Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz zwischen 0. und 1. Ordnung. Die Reaktion wird durch das entstehende Wasser gehemmt. Beim Entfernen des Wassers verläuft die Reaktion nach 0. Ordnung. Das Wasser kann z.B. durch einen 2-Propanol-Überschuss von der Katalysatoroberfläche verdrängt werden. Die Oberfläche ist dann vollständig mit Substrat gesättigt und die umgewandelte 2-Propanol-Menge ist unabhängig von der zugeführten Menge an 2-Propanol (vgl. Langmuir-Isotherme).

Um festzustellen, unter welchen Bedingungen die 0. Ordnung verwirklicht werden kann, wird die Propenbildung in Abhängigkeit von der Katalysatorbelastung ( n . 0 / m K ) bestimmt. Bei konstanter Katalysatormasse m K wird dabei der Moldurchsatz an 2-Propanol n . 0 variiert und die entsprechende Propenmenge bestimmt. Es ergibt sich die in der Abbildung gezeigte Abhängigkeit.

Abb.2
Abhängigkeit der Propenbildung von der Katalysatorbelastung

Berechnung

Der Reaktor für die i-Propen-Dehydratisierung wird als Differentialreaktor betrieben. Damit ergibt sich:

n . A 0 ( x A x A 0 ) m K = R A , s n . A 0 = Gesamtmolzahl am Reaktoreingang (kmol) x A = Stoffmengenanteil (Molenbruch) des Stoffes A x A 0 = Stoffmengenanteil (Molenbruch) des Stoffes A am Reaktoreingang m K = Katalysatormasse (kg) R A , s = Spezifische Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit

Es wird ein reines 2-Propanol als Ausgangsprodukt im Überschuss eingesetzt. Die Reaktion verläuft dann nach dem Zeitgesetz 0. Ordnung und für die entsprechende Propenmenge gilt nach vorheriger Gleichung:

n . Propen m K = k n . Propen = Moldurchsatz des Propen (mol/s) m K = Katalysatormasse (g) k = Reaktionsgeschwindigkeitskonstante   ( mol / ( g Kat s ) )

Für die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k gilt die Arrhenius-Gleichung, nach der die Aktivierungsenergie bestimmt werden kann:

k = k 0 e E A R T
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