Stromungsgeschwindigkeit wurde eine Gleichung aufge- stellt, mit der die in der Anwarmzone und der Verdamp- fungszone bei verschiedenen Werten des scheinbaren Flussigkeitsstandes, des Temperaturgefailles und der Zu- lauftemperatur der Fluss'igkeit mit den genannten Ver- suchsflussigkeiten gemessenen Warmeubergangszahlen dargestellt werden konnen.

Eingegangen am 19. Oktober 1962 [B 15301

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Chemische Reaktion und Stofftransport bei heterogenen Gasreaktionen im Stromungsrohr*)

Von Priv.-Doz. Dr. F. FETTING

lnstitut fur Technische Chernie der Techn. Hochschule Hannover

Zur Klarung des Einflusses der Raumdiffusion auf den Umsatz einer chemischen Wandreaktion in einem Stro- mungsreaktor wurden einige theoretische und experimen- telle Untersuchungen ausgefuhrt.

Die auf Darnkohler zuriickgehenden, hierfur gultigen Berechnungsunterlagen, deren Anwendung relativ einfach ist, gelten nur fur die Reaktionsordnung n = 1. Neuere theoretische amerikanische Arbeiten berucksichtigen auch von n = 1 abweichende Reaktionsordnungen; die Benut- zung der mitgeteilten Ergebnisse erfordert allerdings einen groBen rechnerischen Aufwand. Da fur Reaktions- ordnungen n = 1 die Randbedingungen fur die zugrunde liegende Differentialgleichung nicht mehr linear sind, ist eine geschlossene Integration nicht moglich.

Von uns wurde ein Analogrechner PACE 231 zur Losung des mathematischen Problems herangezogen. Unter der Annahme, daR die Reaktion an der Wand eines zylin- drischen Rohres ablauft, wurden Umsatzkurven fur die Reaktionsordnungen n = 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5; 2,O berechnet. Durch einen Parameter, der das Verhaltnis der chemischen Reakti,onsgeschwindigkeit zur Diffusionsge- schwindigkeit angibt, lieR sich der gesamte Bereich zwi- schen den GFenzfallen der vollen Diffusionshemmung und des allein durch die chemische Reaktionsgeschwindigkeit bestimmten Umsatzes schrittweise tiberdecken. Die Stro- mung wurde als laminar mit parabolischer Geschwindig- keitsverteilung vorausgesetzt. Der Vergleich der so be- rechneten Umsatze mit denjenigen, die sich ohne Diffu- sionseinflufi (,,homogene Raumreaktion") ergeben wur- den, gestattete interessante Einblicke in die Abhangigkeit des Diffusionseinflusses von der Reaktionsordnung. Fur Reaktionsordnungen n $. 1 spielt dabei auch noch der Umsetzungsgrad eine Rolle.

Die nun vorliegenden Kurvenblatter gestatten in uber- sichtlicher Weise eine rasche Berechnung des Diffusions- einflusses bei Wandreaktionen auch fur n $. 1. Das gilt fur die Ermittlung von reaktionskinetischen Daten (Reak- tionsordnung, Aktivierungsenergie und Haufigkeitsfaktor) aus dem integralen Umsatz sowie umgekehrt fur dessen Vorausberechnung bei Kenntnis der kinetischen GroBen.

Im experimentellen Teil der Untersuchung wurde die katalytische Umwandlung von para- in ortho-Wasserstoff an Palladium als Modellreaktion herangezogen. Sie er- wies sich als besonders geeignet, da sie raumbestandig ist, praktisch i,sotherm ablauft, und da die gaskinetischen Eigenschaften der Anfangs- und Endprodukte gleich sind. Zur Vereinfachung der Versuchsfuhrung wurde der Kata- lysator ni&t wie ublich auf die Wand eines zylindrischen Stromungsrohres (von 25 mm Dmr.) aufgebracht, sondern auf eine in der Mitte des Rohres Iiegende Platte; dadurch erhielt der Reaktionsraum die Form eines Halbzylinders. Der Wasserstoff-Strom rnit einem Gehalt von maximal 50°/o para-Wasserstoff lieB sich in ausreichenden Mengen je- weils frisch herstellen, indem Normal-Wasserstoff uber 1 kg Aktivkohle geleitet wurde, die rnit flussigem Stick- stoff gekuhlt war. Die Anfangs- und Endkonzentration des para-Wasserstoffs wurde durch Analyse abgezogener Pro- ben mit der Warmeleitfahigkeitsmethode bestimmt.

Im Temperaturbereich 20 bis 300 "C lieBen sich Stro- mungsgeschwindigkeiten von 4 bis 1500 cm/s verifizieren, die entsprechenden Verweilzeiten betrugen 12 bis 0,03 s. Die Stromung blieb immer laminar. Dabei wurden Um- setzungsgrade zwischen 2 und 98O/o gemessen. Der Kataly- sator war so wirksam, daB die Diffusionshemmung schon bei 20°C einsetzte und ab 200 "C den Umsatz allein be- stimmte.

Unter Benutzung der oben angefuhrten Rechnungen war es moglich, die teilweise von n = 1 in Richtung ge- ringerer Werte abweichende Reaktionsordnung festzu- stellen und die Aktivierungsenergie in einem Tempera- turbereich zu bestimmen, in dem die Diffusionshemmung schon wesentlich mit geschwindigkeitsbestimmend ist.

In Ubereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Autoren ergaben sich fur die Aktivierungsenergie Werte zwischen 5 und 10 kcalimol. Die Unterschiede waren be- dingt durcb den Alterungsgrad des Katalysators sowie einen gewissen Sauerstoff-EinfluB. [B 15651

*) Kurzfassung des Vortrages auf dem Jahrestreffen der Ver- fahrens-Ingenieure vom 7. bis 10. Oktober 1962 in Mainz. Uber die Ergebnisse wird nach AbschluD der noch laufenden Unter- suchungen ausfuhrlich in dieser Zeitschrift berichtet.

Chemie-1ng.-Techn, 35. Jahrg. 1963 / Nr. 3 185