Zur Mikro- und Makrokinetik mehrphasiger heterogen-katalysierter Reaktionssysteme : Untersuchungen am Modellsystem der Ni-katalysierten Hydrierung von 1-Octen

Battsengel, Baatar; Jess, Andreas

doi:24762

Zur Mikro- und Makrokinetik mehrphasiger heterogen-katalysierter Reaktionssysteme : Untersuchungen am Modellsystem der Ni-katalysierten Hydrierung von 1-Octen

Battsengel, Baatar

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Baatar Battsengel

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangIII, 153 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Jess, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-09-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4392
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60294/files/Battsengel_Baatar.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; Octene (frei) ; Katalytische Hydrierung (frei) ; Nickelkomplexe (frei) ; Katalysator (frei) ; Heterogene Katalyse (frei) ; Mehrphasensystem (frei) ; heterogen-katalysierte Mehrphasensysteme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Heterogen-katalysierte mehrphasige Reaktionen haben in der chemischen Industrie eine große Bedeutung. In solchen Systemen treten oft mehrere Stofftransportwiderstände (Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Katalysator, Porendiffusion) auf. Dies führt dazu, dass die effektive Reaktionsrate geringer als die der reinen chemischen Reaktion und dass die intrinsische Kinetik experimentell schwer zugänglich ist. Ein Ziel der Arbeit ist die Bestimmung der intrinsischen Kinetik und die Aufstellung eines formalkinetischen Ansatzes. Dazu wird das Modellsystem der Hydrierung von 1-Octen zu n-Octan in einem Rüttelreaktor an einem kommerziellen Ni-Katalysator ausgewählt, bei dem die einzelnen Stofftransportwiderstände durch die systematische Variation der Reaktionsbedingungen (Katalysator- und Octenkonzentration, Partikeldurchmesser) schrittweise bestimmt und ausgeschlossen werden können. Die effektive Reaktionsrate wird bei hohen Octen- und Katalysatorkonzentrationen stark durch den Gas-Flüssig-Stofftransport limitiert. Große Katalysatorpartikel führen dazu, dass die Reaktionsrate auch durch den Flüssig-Fest-Stofftransport und durch die Porendiffusion stark vermindert wird. Zur Bestimmung der intrinsischen Kinetik werden neben der Octenkonzentration die Wasserstoffkonzentration und die Temperatur variiert. Es zeigt sich, dass die chemische Reaktionsgeschwindigkeit bei Wasserstoffdrücken ab fünf bar bezüglich der Wasserstoffkonzentration nullter Ordnung wird. Ein weiteres Ziel der Arbeit ist die Optimierung bestehender Verfahren für Mehrphasenreaktionen durch das sogenannte Vorsättigerprinzip. Die Grundidee dieses Konzeptes besteht darin, nur die mit der Gaskomponente gesättigte Flüssigphase über das Katalysatorfestbett zu leiten. Dadurch wird der Stoffübergangswiderstand aus der Gasphase in die Flüssigphase ausgeschlossen. Daher wird die rechnerische Erfassung des Einflusses der Fluiddynamik deutlich weniger komplex und ein Scale-up vereinfacht sich. Dieses Konzept bietet eine Vielzahl von weiteren Vorteilen gegenüber den klassischen Dreiphasenverfahren. Zum Vergleich werden Versuche im klassischen Rieselbettreaktor herangezogen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die effektive Reaktionsrate im Rieselbettreaktor um den Faktor 20 kleiner als die intrinsische Reaktionsrate ist. Für die gleiche Katalysatorgröße ergibt sich eine höhere effektive Reaktionsgeschwindigkeit im Zweiphasenfestbettreaktor als im Rieselbettreaktor, d.h. im Rieselbettreaktor wird die Reaktionsrate zusätzlich durch den Gas-Flüssig-Stofftransport begrenzt. Die im kontinuierlich betriebenen Festbettreaktor gewonnenen reaktionskinetischen Daten stimmen gut mit den Daten im diskontinuierlichen Rüttelreaktor überein. Neben den kinetischen und reaktionstechnischen Untersuchungen werden anhand der gewonnenen kinetischen Daten auch Überlegungen und Berechnungen zur Octenhydrierung in einem technischen Festbettreaktor angestellt. Das Augenmerk liegt hierbei nicht auf der technisch nicht so relevanten Octenhydrierung, sondern darauf allgemeingültige Schlussfolgerungen für technische mehrphasige (Hydrier-) Prozesse zu gewinnen.

Heterogeneous catalysis based upon multiphase reactions is a very important issue in the chemical industry. Various mass transfer resistances (gas-liquid, liquid-solid, pore diffusion) occur in such systems. This results in the fact that the effective rate of reaction is much lower than the reaction rate of the chemical reaction itself. Furthermore the intrinsic kinetic is very difficult to determine experimentally. The present work focuses on the determination of intrinsic kinetic and the derivation of a formal kinetic approach. For this purpose the hydrogenation of 1-octene to n-octane on a commercially Ni-catalyst in a vibrating batch reactor was chosen as the model system. In such a system each mass transfer resistance can be defined stepwise and excluded by the systematical variation of the reaction condition (concentration of catalyst and octene, particle size). The effective rate of reaction is strongly limited by the liquid-solid mass transfer at high concentrations of octene and catalyst. In addition the increase of the particle size of the catalyst leads to decrease of the reaction rate due to the liquid-solid mass transfer and the pore diffusion. In order to determinate the intrinsic kinetic, the concentration of hydrogen and the temperature were varied besides of the variation of the octene concentration. The results show that the rate of chemical reaction is zero order with respect to concentration of hydrogen under higher pressure (up to5 bar). Another aim of this work is the optimization of existing methods for multiphase reactions using the so called pre-saturation technology. The basic idea of this concept is that only the pre-saturated liquid phase is in contact with the catalyst. Hence there are only one (liquid) fluid phase and the solid catalyst within the reactor. Thus the gas-liquid mass transfer resistance is excluded. So the mathematical treatment of the fluid dynamic influence is less complex and a scale-up is easier. The concept offers further advantages compared to the classical three phase technology. Results from experiments performed in the classical trickle-bed reactor are used for a comparison. The data indicate that the effective rate of reaction in the trickle-bed reactor is 20 times lower than the intrinsic rate of the chemical reaction. For the same particle size the effective rate of reaction is higher in the two phase reactor with pre-saturator than in the trickle-bed reactor. In a trickle-bed reactor the rate of reaction is limited by gas-liquid mass transfer. The data of reaction kinetics from continuously operated fixed-bed reactor correspond with the result of a discontinuously vibrating reactor. In addition to kinetic and reaction engineering investigations, considerations and calculations are carried out based on the experimental data in a technical fixed bed reactor. The main objective of this work does not concern of the hydrogenation of octene, which is technical irrelevant, but rather to receive general conclusions for technical multiphase (hydrogenation) processes.

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