1612729234-f204a36a1e721af405194e29352ad3c1 (827564), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

Предполагается, что реакция имеет первый порядок по изопропанолу. Это предположение нужно проверить, пользуясь полученными данными. Для нахождения константы скорости первого порядка интегральным методом необходимо построить зависимость ln(S₀/S) от времени контакта. Одновременно можно сделать заключение о порядке реакции. Поскольку предполагается первый порядок, то для расчёта константы скорости нет необходимости пересчитывать площади пиков изопропанола в концентрацию.

Для определения энергии активации по трём значениям константы скорости реакции k, измеренных при трёх температурах, нужно заполнить табл. 8.2 и построить график зависимости ln(k) от 1000/T, где T – температура в К.

Таблица 8.2

Таблица для расчёта энергии активации реакции

Отчёт о работе К-21 должен содержать:

– дату выполнения работы;

– найденное значение энергии активации;

– сведения о начальной концентрации реагентов и температуре проведения реакции;

– полученные данные в виде табл. 8.1 и 8.2;

– графики, по которым определяли константы скорости;

– график, по которому определяли энергию активации.

Контрольные вопросы

1. Проточные реакторы полного смешения и идеального вытеснения. Время контакта.

2. Кинетика реакции без изменения числа частиц в реакторе полного смешения.

3. Кинетика реакция без изменения числа частиц в реакторе идеального вытеснения.

4. Схема установки, используемой в работе. Подключение 6-портового крана по схеме крана-дозатора.

5. Кинетика гетерогенно-каталитической реакции, протекающей по механизму Ленгмюра – Хиншельвуда в закрытой системе при постоянном объёме.

6. Связь наблюдаемой энергии активации с энергией активации поверхностной реакции и теплотой адсорбции, если наблюдаемый порядок реакции равен единице.

Библиографический список к работе К-21

1. Киперман С.Л. Введение в кинетику гетерогенных каталитических реакций. М.: Наука, 1964. 608 с.

2. Практикум по физической химии НГУ. Химическая термо-динамика и кинетика: Учеб.-метод. пособие / В. А. Рогов, Е. С. Рудаков, С. С. Арзуманов и др. Новосибирск: НГУ, 2013. Ч. 1. Химическая термодинамика. С. 210–225.

8.4. Работа К-22. Кинетика реакции каталитического окисления метана. (Хроматография, установка ОКСИ-1)

Глубокое окисление метана до СО₂ и воды является одним из стандартных способов тестирования активности катализаторов при их аттестации. Одной из причин выбора этой реакции для испытаний оксидных катализаторов является относительная простота и дешевизна необходимого оборудования. В данной лабораторной работе используется компактная установка, в которой реализованы новые принципы дозирования газов и применена миниатюрная хроматографическая система количественного анализа.

Реакция полного окисления метана является необратимой, порядок реакции на применяемых катализаторах при выбранных условиях близок к первому, не происходит образования продуктов парциального окисления.

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2 Н₂О.

Цель работы:

– измерить при трёх температурах степень превращения метана, как функцию времени контакта;

– проверить предположение, что порядок реакции близок к 1;

– найти при трёх температурах константы скорости реакции и рассчитать энергию активации.

Экспериментальная часть

Необходимое оборудование и материалы

В работе используется современная каталитическая установка, которая может работать в ручном и автоматическом режимах.

Рис. 8.2. Схема установки ОКСИ-1. ИДГ–1,2,3 – импульсные дозаторы газов; СМ–СТ – смеситель/стабилизатор потока ИРС; ИРС – исходная реакционная смесь; КРС – конечная реакционная смесь; БПР – блок проточного реактора с печью; КП – коммутатор потоков; БХА – блок хроматографического анализа

Основные узлы и системы установки, показаны на рис. 8.2:

– система дозировки газа;

– блок проточного реактора;

– коммутатор потоков;

– блок хроматографического анализа.

Система дозировки газов, состоит из баллонов с гелием, кислородом и метаном и других элементов показанных на рис. 8.2. По соображениям безопасности вместо чистого метана используется смесь 5 % метана в гелии. Для дозировки газов используются импульсные дозаторы ИДГ.

Импульсный дозатор газа ИДГ. Дозатор работает с использованием принципа ШИМ – широтно-импульсной модуляции, который часто применяется в электротехнических устройствах и состоит в том, что мощность, подводимая к нагрузке, подаётся в виде коротких импульсов. Реализация этого принципа для управления газовыми потоками наталкивается на ряд трудностей, преодолеть которые удалось в самое последнее время. Дозаторы ИДГ подают газы короткими импульсами, которые формируют поток исходной реакционной смеси (ИРС). Пульсации потока устраняются в блоке смешения и стабилизации потока СМ–СТ.

Смеситель/стабилизатор потока СМ–СТ формирует два потока газовой исходной реакционной смеси ИРС. Вспомогательный поток ИРС с очень небольшим расходом и основной поток ИРС, который поступает на вход проточного реактора.

Коммутатор потоков КП обеспечивает выбор одного из двух газовых потоков (ИРС или КРС) для последующего анализа, а также отбор дозы выбранного газа и ввод его в хроматограф.

Блок хроматографического анализа БХА представляет собой компактный газовый хроматограф (линейные размеры всего несколько сантиметров) и состоит из насадочной колонки, детектора по теплопроводности и электронного блока управления.

Метод газовой хроматографии, кратко описан в первой части Практикума [1].

Блок проточного реактора БПР содержит кварцевую трубку с инертной насадкой, в средней части которой находится исследуемый образец катализатора. Трубка помещена в электрическую печь управляемую электронным регулятором.

Запись хроматограмм может происходить в ручном режиме, когда отбор и ввод пробы ИРС или КРС, начало и окончание анализа, расчёт площадей пиков и другие действия производятся оператором, или в автоматическом режиме под управления заранее составленной программы.

Более подробное описание блоков ИДГ и КП дано в разделе 8.5.

Внешний вид установки показан на рис. 8.3. На передней панели в левой части находится электрическая печь блока БПР.

Избегать прикосновения, повышенная температура!

Справа вверху находится регулятор/измеритель температуры печи. В средней части находятся две водяные ловушки, правая ловушка служит индикатором процесса отбора пробы, через левую ловушку происходит сброс КРС.

На левой панели находятся гнёзда для подключения линий, по которым подаются используемые газы, на правой панели – гнёзда для подключения линий отходящих газов и сетевой выключатель.

Подготовка к работе

Для знакомства с установкой следует изучить её схему и посмотреть видеофильм к работе К-22. Выполнение данной лабораторной работы занимает значительное время, поэтому порядок выполнения работы и обработки данных следует уяснить заранее.

Катализатор загружается в реактор персоналом кафедры, объём катализатора в реакторе равен 1 см³.

Установку включает персонал кафедры. Студенты начинают работу, когда установка уже включена.

В типичном случае в работе используется медно-хромовый катализатор (V = 1 мл), температура реактора 410 – 450 С, скорость подачи ИРС от 25 до 150 мл/мин, время хроматографического анализа ИРС равно 35 с, КРС – 70 с.

Состав ИРС: 1 % метана, 10 % кислорода, 89 % гелия (задаётся персоналом и не изменяется в ходе работы).

Работа с установкой возможна через 30 мин после прогрева её внутреннего объёма до 40 С.

Предельно допустимые параметры: температура реактора – 530 С, максимальный / минимальный расход ИРС – 150 / 15 мл/мин.

Порядок включения и выключения (указания для персонала)

Для включения установки:

– включить компьютер;

– подать на установку сжатый воздух или азот (4 атм), кислород, гелий и смесь 5 % метана в гелии (2–3 атм);

– восстановить газовые соединения, разомкнутые при выключении установки;

– открыть программу OXI-1;

– проконтролировать наличие потоков газа-носителя через хроматограф (Не_ср и Не_раб) и потока рабочей смеси;

– задать поток ИРС – 50 мл/мин в окне «Поток, мл/мин» и температуру реактора – 450 С в окне «Уставка Т реактора»;

– дождаться пока в окне «Текущая Т детектора» установится значение 40 С, и цвет индикатора сменится на зелёный;

– через 30 мин выполнить в автоматическом режиме тестовый опыт.

Для выключения установки:

– выбрать в меню окно «Включение и выключение». Нажать на появившуюся широкую красную кнопку;

– на передней панели выдернуть из гнёзд газовые линии, ведущие к ловушкам;

– дождаться снижения температуры печи БПР до 100 С;

– закрыть газовые баллоны, выкрутить редукторы на баллонах и компрессоре;

– закрыть программу OXI-1, выключить компьютер и сетевой выключатель на установке.

Проведение измерений

Порядок проведения измерений подробно показан в видеофильме и изложен в инструкции на рабочем месте.

Открыть программу OXI-1. Открывается окно «Общая информация».

В окне «Общая информация» проконтролировать (не изменять!) состав ИРС: 89 % гелий, 10 % кислород, 1 % метан, ввести значение парамеров «Уставка Т реактора, С» (например, T = 450 С) и «Поток, мл/мин» (например, u = 150 мл/мин).

Перейти в окно «Эксперимент».

В окне «Эксперимент» нажать «Открыть сохранённый ранее метод» и выбрать метод записи хроматограммы «Работа К-22».

Данный метод измерения состоит из следующей последовательности действий. (По указанию преподавателя или лаборанта может применяться метод с иными значениями параметров).

Шаг 1. Установка общего потока:

1) параметр 1 – значение общего потока 150 мл/мин;

2) параметр 2 – пауза после выполнения 150 с;

Характеристики

Список файлов лабораторной работы