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Institut für Technische Chemie Technische Universität Clausthal

Technisch-chemisches Praktikum M

Versuch: Reaktorstabilität Einleitung Die Temperatur der Reaktionsmischung beeinflusst sowohl die Kinetik einer chemischen Reaktion, als auch die Lage des Gleichgewichtes und damit den thermodynamisch maximal erreichbaren Umsatzgrad. Da chemische Reaktionen stets von Wärmeeffekten begleitet sind, ist es wichtig zu wissen, in welcher Weise sich diese auf die Temperatur der Reaktionsmischung und damit auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirken. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten der Temperaturlenkung: Bei der isothermen Temperaturführung wird bei exothermen Reaktionen die Reaktionswärme vollständig an das Kühlsystem abgeführt bzw. bei endothermen Reaktionen vom Heizsystem aufgebracht. Dadurch wird die Temperatur der Reaktionsmischung sowohl zeitlich als auch örtlich konstant gehalten. Bei adiabatischer Temperaturführung und exothermer Reaktion verbleibt die durch die Reaktion gebildete Wärmemenge vollständig in der Reaktionsmasse; entsprechend wird bei einer endothermen Reaktion die durch die Reaktion verbrauchte Wärmemenge vollständig von der Reaktionsmischung aufgebracht. Es wird also keine Wärme durch Wärmeaustausch nach außen abgeführt oder von außen zugeführt. Bei adiabatischer Temperaturführung ändert sich deshalb die Temperatur der Reaktionsmischung mit fortschreitendem Umsatzgrad. Bei polytroper Temperaturführung wird nur ein Teil der Reaktionswärme ausgetauscht, und somit kann eine Änderung der Temperatur der Reaktionsmischung eintreten. Während die isotherme und die adiabatische Temperaturführung Grenzfälle darstellen, umfasst die polytrope Temperaturführung alle Möglichkeiten der Temperaturführung zwischen diesen beiden Grenzfällen. Aufgabenstellung

Die stark exotherme, katalysierte Zersetzungsreaktion: 22

.

22 5,0 OOHOHKat

soll in einem diskontinuierlich betriebenen Rührkessel (Batchreaktor) unter nahezu adiabatischer Temperaturführung durchgeführt werden. Die Reaktion wird durch Fe3+-Ionen homogen katalysiert und verläuft irreversibel nach einem Geschwindigkeitsansatz 1. Ordnung in Bezug auf das Edukt H2O2. Im Batchreaktor ist unter adiabatischen Bedingungen der zeitliche Temperaturverlauf dieser Zersetzungsreaktion zu verfolgen und die im Versuch erreichte Maximaltemperatur zu erfassen. Die Geschwindigkeitskonstante ist in Abhängigkeit von der Temperatur zu bestimmen. Aus diesen Werten ist die Aktivierungsenergie EA grafisch zu ermitteln. Vergleichsweise werden für die polytrope Reaktionsführung die entsprechenden Temperatur-Zeit-Verläufe mit den Temperaturmaxima untersucht.

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Versuchsdurchführung Folgende Experimente sind durchzuführen:

a) adiabatische Reaktionsführung Die Aufnahme des zeitlichen Temperaturverlaufes der Zerfallsreaktion wird in einem nahezu adiabatischen Reaktor durchgeführt. Dazu wird die Reaktionslösung im Reaktor vorgelegt und die Katalysatorlösung zum Start der Reaktion zugegeben. Die jeweiligen Mengen und Konzentrationen werden vom Assistenten vorgegeben. Nach dem Start der Reaktion ist der Temperaturverlauf bis zum leichten Abklingen der Temperatur-Zeit-Kurve nach Erreichen von Tmax aufzunehmen.

b) polytrope Reaktionsführung Die Aufnahme des zeitlichen Temperaturverlaufes der Zerfallsreaktion wird unter polytropen Bedingungen durchgeführt. Dazu wird die Wasserstoffperoxidlösung im Reaktor vorgelegt und mit Hilfe eines Umlaufthermostaten temperiert. Parallel dazu wird in einem Reagenzglas die Katalysatorlösung im selben Thermostaten vortemperiert. Die jeweiligen Mengen, Konzentrationen und Temperaturen werden vom Assistenten vorgegeben. Bei Temperatur-konstanz wird der Katalysator zum Reaktorinhalt gegeben und der Temperaturverlauf im Reaktor bis zum leichten Abklingen der Temperatur-Zeit-Kurve nach Erreichen des Temperaturmaximums aufgenommen. Nach Ablassen der Reaktionslösung durch das Bodenablassventil und Spülen des Reaktors werden weitere Versuche mit geänderten Parametern durchgeführt. Hinweise zur Auswertung und Diskussion

1. Berechnen Sie mit Hilfe der reaktionsspezifischen Konstanten des H2O2-Zerfalls (s.u.) die adiabatische Temperaturerhöhung (Tad) für den vollständigen Umsatz (UA) nach Gleichung 1 und den Faktor b aus Gleichung 2.

1

0 )(

AUp

RAad c

HcT

[K] (1)

)1(max bTTad [K] (2)

mit cA0 = Anfangskonzentration an H2O2 [mol/L]

4

Die Konstanten zur Berechnung der adiabatischen Temperaturerhöhung bei vollständigem Umsatz: -RH = 94,8 KJ/mol cp = 4,1 J/Kg = 1,2 g/cm³ 2. Berechnen Sie die Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k der Zerfallsreaktion. Dazu

wird punktweise an der unter adiabatischen Bedingungen gemessenen Temperatur-Zeit-Kurve die Steigung T/t bestimmt. Mit Gleichung 3 werden die entsprechenden Geschwindigkeitskonstanten über den gesamten Temperaturbereich berechnet.

dt

dT

T

TTT

Tk

max

0max 1

1)( (3)

mit T0 = Starttemperatur [K]

3. Ermitteln Sie die Aktivierungsenergie der Reaktion grafisch aus der Temperatur-

abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung.

4. Berechnen Sie das sogenannte Wärmeerzeugungspotential nach Gleichung 4.

2TR

ET A

ad [-] (4)

(für T [K] ist der Mittelwert aus der Anfangstemperatur und der Maximaltemperatur einzusetzen)

5. Diskutieren Sie für die polytrope Reaktionsführung die Parameterempfindlichkeit des

Reaktors. Als Einflussgrößen kommen in Frage: die Wasserstoffperoxid-Konzentration, der Wärmedurchgang zum Kühlmittel (Kühlmitteltemperatur), die Wärmekapazität des Reaktors u.a.