DE10101118A1 - Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk - Google Patents
Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein ReaktionsnetzwerkInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bewertungsverfahren der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzung für ein Reaktionsnetzwerk, bestehend aus parallel und nacheinander ablaufenden Reaktionen, die im Gaszustand, in der Flüssigphase oder an der Grenzfläche zwischen Gas- und Flüssigphase ablaufen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Voraussage von Katalysatorleistungen bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen unter Einsatz des High-troughput-screenings möglich wird. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch experimentelle Erfassung bestimmter Daten der katalytischen Reaktionen des Reaktionsnetzwerkes, Einbeziehung dieser Daten in eine kinetische Berechnung und Ermittlung kinetischer Daten für höchste Katalysatorleistungen, experimentelle Überprüfung der errechneten kinetischen Daten und Einsetzen der überprüften kinetischen Daten in neue, veränderte Reaktionsbedingungen zwecks Auswahl des besten Katalysators unter den entsprechenden Reaktionsbedingungen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung der Lei
stungsfähigkeit stöchiometrisch unterschiedlich zusammenge
setzter Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk.
Während der letzten Jahre wurden High-throughput-Experimentier
techniken für die Suche nach geeigneten Katalysatoren und deren
Optimierung entwickelt und in der Literatur beschrieben
(Senkan, S. M., Ozturk, S. "Discovery and Optimization of
Heterogeneous Catalysts by Using Combinatorial Chemistry",
Angew. Chemie, Volume 38, Issue 6 (1999) 791-795). Die Ak
tivitäten einer großen Zahl von Katalysatoren werden bestimmt,
indem der Umsatzgrad unter festgelegten Reaktionsbedingungen
wie Temperatur, Verweilzeit, Druck, Konzentration der einzelnen
Reaktanten, Durchmesser der Katalysatorpartikel ermittelt wird
oder der Temperaturanstieg oder -abfall bei exo- oder
endothermen Reaktionen für die einzelnen Katalysatoren simultan
oder im schnellen sequentiellen Modus gemessen wird. Selektivitäten
und Ausbeuten der gewünschten Produkte werden in
analoger Weise ermittelt.
Die Beschreibung der Abhängigkeit des Umsatzes, der Selektivi
täten bzw. Ausbeuten von den Reaktionsbedingungen einer kataly
tischen Reaktion auf der Grundlage formalkinetischer Geschwin
digkeitsansätze (Potenzansätze, Hougen-Watson- und Langmuir-
Hinshelwood-Ansätze) ist etabliert (Froment, G. F., Bischoff,
K. B., "Chemical Reactor Analysis and Design" 2nd ed., Wiley,
New York 1990; Carberry, J. J., "Chemical and Catalytic
Reaction Engineering" McGraw-Hill, New York 1976, Baerns, M.
Hofmann, H., Renken, A. "Chemische Reaktionstechnik", in der
Reihe Lehrbuch der Technischen Chemie Bd. 1, Georg-Thieme-
Verlag, Stuttgart 1987). Die Methodik wird bislang zur
Optimierung des Betriebs technischer Reaktoren eingesetzt. Die
für die Bestimmung der Reaktionsschemata und die Ableitung der
kinetischen Parameter (Geschwindigkeitskonstanten und Aktivie
rungsenergien) erforderlichen experimentellen kinetischen Daten
werden mit mikrokatalytischen Festbettreaktoren erhalten, in
denen je nach Reaktionstyp und Zielsetzung der kinetischen
Analyse definierte Strömungs- und Wärmetransportbedingungen
eingestellt werden. Für die Simulation der genannten unter
schiedlichen Reaktortypen stehen seit geraumer Zeit realisti
sche Modelle zur Verfügung, die die Voraussage der optimalen
Reaktionsbedingungen und Reaktorbetriebsweise erlauben (R.
Adler, "State of the Art of Simulation of heterogeneous Gas
Catalytic Reaction Process in Fixed-bed Tubular Reactors",
Chem. Ing. Techn 72 (6) (2000) 556, Chem. Ing. Techn 72 (7) (2000)
688, A. Birthigh, G. Lauschke, W. F. Schierholz, D. Beck, C.
Maul, N. Gilbert, H.-G. Wagner, C. Y. Werninger, "CFD
Application in Chemical Reaction Engineering) Chem. Ing. Techn.
72 (3) (2000) 175).
High-throughput-Screening (HTS) ist eine effektive Entwick
lungsstrategie, wenn eine große Zahl von Parametern die Eigen
schaften von Produkten beeinflußt. Auf dem Gebiet der hete
rogenen Katalyse hat sich das Instrumentarium des HTS in den
letzten 3 Jahren zu etablieren begonnen. Eine Übersicht über
den gegenwärtigen Entwicklungsstand der experimentellen
Methodik, der Versuchsplanung und des Datenmanagement wird von
Senkan gegeben (Senkan, S. M., Ozturk, S. "Discovery and
Optimization of Heterogeneous Catalysts by Using Combinatorial
Chemistry", Angew. Chemie, Volume 38, Issue 6 (1999) 791-
795).
Die bislang angewendeten Methoden zur Suche nach geeigneten
katalytischen Materialien mit dem High-Throughput-Screening ha
ben den Nachteil, dass die Katalysatorleistung nur bei einem
bestimmten Satz von Reaktionsbedingungen ermittelt wird und
eine Voraussage der Katalysatorleistung unter anderen Bedingun
gen nicht möglich ist. Unter diesen Umständen wird die
wirkliche optimale Leistung der untersuchten Katalysatoren
nicht erfasst und es können Fehlentwicklungen katalytisch akti
ver Materialien erfolgen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten
Nachteile des High-throughput-screenings unter Zuhilfenahme
kinetischer Daten und ihrer Auswertung auszuschließen und ein
Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Voraussage von
Katalysatorleistungen bei unterschiedlichen Reaktionsbedin
gungen möglich wird.
Erfindungsgemäß werden die Methoden des High-throughput-scree
nings durch eine schnelle Ermittlung kinetischer Daten in einer
großen Zahl parallel betriebener Reaktoren ergänzt oder er
setzt. Dabei werden die Konzentrationen der Schlüsselreaktanten
und -produkte am Reaktorein- und -ausgang jedes einzelnen
Reaktors, der mit unterschiedlichen katalytischen Materialien
oder unterschiedlichen Mengen eines katalytischen Materials
gefüllt wurde, gemessen. Die Konzentrationsbestimmungen der
Reaktanten am Reaktorausgang erfolgen für unterschiedliche
Temperaturen, Verweilzeiten der Reaktanten am Katalysator bzw.
entsprechender Reaktionszeiten, Drücke, Reaktantenkonzentrati
onen am Reaktoreingang. Bei Anwendung der verfügbaren numeri
schen Modellierungs- und Simulationstechniken können die Reak
tionsbedingungen, die die optimale Aktivität, Selektivität,
oder Ausbeute eines gewünschten Reaktionsproduktes gewährlei
sten, schnell prognostiziert und experimentell überprüft wer
den. Durch Anwendung verfügbarer Simulationsmethoden kann wei
terhin vorhergesagt werden, unter welchen Bedingungen inter-
und intrakristalline Stoff- und Wärmetransportlimitierungen
auftreten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bewertung der
Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren unterschiedlicher
Zusammensetzung für ein Reaktionsnetzwerk, bestehend aus
parallel und nacheinander ablaufenden Reaktionen, die im Gas
zustand, in der Flüssigphase oder an der Grenzfläche zwischen
Gas- und Flüssigphase ablaufen, gekennzeichnet durch
- a) Einbringen von Katalysatoren unterschiedlicher Zusammenset zung in ein Reaktormodul, wobei sich jeweils eine bestimmte Katalysatorzusammensetzung in einer bestimmten Menge in einem der parallel angeordneten dreidimensionalen Reaktionsräume be findet;
- b) Erfassung der Eingangskonzentrationen der Gase, mit denen das Reaktormodul bzw. die einzelnen Reaktionsräume beaufschlagt werden, und der Ausgangskonzentrationen der Gase, Flüssigkeiten oder Gase und Flüssigkeiten, die aus dem jeweiligen Reaktionsraum austreten, für alle im Reaktormodul angeordneten Katalysatoren bei gleichen Reaktionsbedingungen;
- c) Erfassung der Eingangskonzentration der Gase, mit denen das Reaktormodul bzw. die einzelnen Reaktionsräume beaufschlagt werden, und der Ausgangskonzentrationen der Gase, die aus dem jeweiligen Reaktionsraum austreten, für alle in den Reaktions räumen angeordneten Katalysatoren, wobei zunächst wenigstens eine, möglichst aber eine Vielzahl der Reaktionsbedingungen nämlich Temperatur, Druck oder Reaktions- bzw. Verweilzeit geändert wird;
- d) Anpassen einer kinetischen Gleichung des Typs
worin für die Funktion f (c1, . . ., ci, . . ., cn) ein Mars-van- Krevelen Ansatz oder ein Langmuir-Hinshelwood-Ansatz oder Polynom-Ansätze oder Potenz-Ansätze gelten können, beispielsweise kann gelten:
an die unter b) und c) erhaltenen Werte der Eingangs- und Aus gangskonzentrationen der Gase oder Flüssigkeiten oder Gase und Flüssigkeiten, indem die entsprechenden kinetischen Parameter kj0, kk0, Ki, Ej, Ek, p, aj und bj unter Einsatz numerischer Rechenverfahren (zum Beispiel Simplexverfahren, Marquardt- Levenberg-Verfahren, Newton-Verfahren) ermittelt werden, wobei m die Zahl aller umgesetzten und gebildeten gasförmigen oder flüssigen Reaktionskomponenten, n die Zahl der im Reaktionsraum ablaufenden Parallel- und Folgereaktionen, Ri die Stoffänderungsgeschwindigkeit einer bestimmten gas- oder flüssigen Reaktionskomponente i mit i im Bereich von 1 bis m, ci die Konzentration dieser Reaktionskomponente i, mcat die Masse des Katalysator im Reaktionsraum, der Gesamtvolumenstrom der gas- oder flüssigen Reaktionsmischung, νij der stöchiometrische Faktor einer bestimmten gas- oder flüssigen Reaktionskomponente i in der spezifischen Reaktion j mit j im Bereich von 1 bis n, kj und kj prä-exponentielle Faktoren sowie Ej und Ek Aktivie rungsenergien der Geschwindigkeitskonstanten der j-ten und k- ten Reaktion unter den im Reaktionsnetzwerk betrachteten Parallel und Folgereaktionen, Ki0 die Adsorptionskonstante und Hi die Adsorptionsenthalpie der Reaktionskomponente i, R die relative Gaskonstante, T die Temperatur, und ai, bi und p Expo nenten in Bereich reeller Zahlen zwischen 0 und 10 sind - e) Einfügen der berechneten kinetischen Konstanten (kj, Ej, kk,
Ek, ai, bi, p) in die unter d) beschriebene kinetische Gleichung
und Ermittlung der Katalysatorleistungsfähigkeit durch Berech
nung der am Reaktorausgang erhaltenen Selektivität und Ausbeute
eines bevorzugten Reaktionsproduktes mit Hilfe eines bekannten
geeigneten Reaktormodells, z. B. Pfropfenströmung oder
Rührkessel, in das die kinetischen Beziehungen nach d)
eingehen, mit der Maßgabe, daß die Reaktionsbedingungen so
gewählt werden, daß sie außerhalb von durch Diffusion oder
Wärmetransport an und in den Katalysatorteilchen beeinflussten
Stoffänderungsgeschwindigkeiten Rj liegen,
wobei Selektivität und Ausbeute wie folgt definiert sind:
ci ;ist die Konzentration des bevorzugten Reaktionsproduktes i am Reaktorausgang und ck ist die Konzentrationen eines bestimmten Ausgangsstoffes k, auf den die Ausbeute bezogen wird, und ist der Gesamtvolumenstrom der gas- oder flüssigen Reaktionsmischung am Reaktorein- bzw. am -ausgang; - f) Berechnung der optimalen Reaktionsbedingungen bei denen die
höchste Katalysatorleistung, die entweder durch den höchsten
Umsatz, die höchste Ausbeute oder die höchste Selektivität des
Zielproduktes gekennzeichnet ist, erhalten wird, in dem die
unter d) beschriebenen kinetische Gleichung, die nun die gemäß
f) berechneten kinetischen Konstanten (kj, Ej, kk, Ek, ai, bi, p)
enthält, verwendet wird;
die Berechnung der optimalen Reaktionsbedingungen (Konzen tration der gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten ci, Masse des Katalysators mcat, Temperatur T und Volumenstrom V) aus der kinetischen Gleichung gemäß f) erfolgt mittels nume rischer Simulation und Optimierung (zum Beispiel mittels Simp lexverfahren, Marquardt-Levenberg-Verfahren, Newton-Verfahren); - g) Einstellung der nach f) für den höchsten Umsatz oder die höchste Ausbeute oder die höchste Selektivität berechneten Reaktionsbedingungen und Überprüfung der Katalysatorleistungen unter diesen Reaktionsbedingungen für jeden einzelnen der sich im Reaktormodul befindenden Katalysatoren;
- h) bei Bestätigung der gemäß f) prognostizierte Werte durch die experimentelle Überprüfung gemäß g) Fortsetzung der Tes tung der Katalysatoren unter veränderten Reaktionsbedingungen und Auswahl des besten Katalysators mit den entsprechenden Reaktionsbedingungen für die technische Nutzung;
- i) bei Nichtbestätigung der prognostizierten Werte, erneute Aufnahme des Berechnungsprozesses, beginnend mit d) unter Einsatz einer kinetischen Gleichung, die eine andere Funktion f(c1, . . ., ci, . . ., cn) enthält.
Unter dem Begriff "Reaktionsnetzwerk" werden alle für die ge
gebene Zielreaktion auftretenden Nebenreaktionen und Folgere
aktionen verstanden, die unter den vorgesehenen Reaktionsbe
dingungen und Aggregatzuständen auftreten können.
Unter dem Begriff "kinetische Daten" werden die
Stoffänderungsgeschwindigkeit, die Geschwindigkeitskonstanten,
die Aktivierungsenergie und weitere zu deren Berechnung
erforderliche Daten verstanden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Reaktions-
und Testbedingungen bei einer bestimmten katalytischen Reaktion
soweit variiert und über die kinetischen Daten erfaßt, daß eine
Aussage zur Katalysatorleistung auch bei unterschiedlichen
Reaktionsbedingungen möglich wird und damit die tatsächlich
mögliche Höchstleistung von Katalysatorsubstanzen (Umsatz,
Selektivität) prognostiziert wird und experimentell geprüft
werden kann.
So ist beispielsweise die oxidative Dehydrierung von Propan
eine heterogen katalysierte Gasphasenreaktion, die in Gegenwart
von Feststoffkatalysatoren nach folgendem Reaktionsschema
abläuft.
Der Reaktionsablauf ist durch eine Verknüpfung von Parallel
reaktionen (Schritte j = 1 und j = 2) mit einer Folgereaktion
(Schritt j = 3) gekennzeichnet. Innerhalb dieses Reaktionsnetz
werkes ist die Umsetzung des Propans zu Propen (Schritt j = 1)
erwünscht während die Schritte j = 2 und 3, die zur Kohlenoxid
bildung führen, unerwünscht sind. Ziel ist es nun, mit Hilfe
eines geeigneten katalytischen Materials und durch gleichzeitige
Optimierung der Reaktionsbedingungen (Temperatur, Konzentration
von Propan und Sauerstoff am Reaktoreingang und
Strömungsgeschwindigkeit der Propan/Sauerstoff-Mischung) die un
erwünschten Schritte zu unterdrücken während die Propenbildung
unter diesen Bedingungen bevorzugt ablaufen soll.
Dazu werden experimentelle kinetischen Daten (Temperatur, Strö
mungsgeschwindigkeit des Gases, Konzentration von Propan, Propen,
Sauerstoff, CO und CO2), die für eine Vielzahl von Katalysatoren
erhalten werden, verwendet, um Modellvoraussagen auf der
Grundlage vordefinierter Geschwindigkeitsansätze für die Einzel
schritte j = 1, 2 und 3 der oxidative Dehydrierung von Propan zu
treffen.
Die Erfindung soll nachstehend durch folgende Beispiele erläutert
werden. In der dazugehörigen Zeichnung bedeuten
Fig. 1 Diagramm für die Propenausbeute in Abhängigkeit von der
Reaktionstemperatur für 4 ausgewählte Katalysatoren;
Fig. 2 Diagramme für die Propenausbeute in Abhängigkeit von der
Verweilzeit für 4 ausgewählte Katalysatoren
Die Verfahrensweise im einzelnen war wie folgt:
Um im Falle der oxidativen Dehydrierung von Propan die indivi duellen optimalen Reaktionsbedingungen für eine große Zahl von Katalysatoren effizient zu ermitteln, wurden kinetische Daten für jeweils 60 Katalysatoren parallel bestimmt, indem ein 64-Kanal- Reaktormodul eingesetzt wurde. Die einzelnen Reaktionskanäle waren kreisförmig.
Um im Falle der oxidativen Dehydrierung von Propan die indivi duellen optimalen Reaktionsbedingungen für eine große Zahl von Katalysatoren effizient zu ermitteln, wurden kinetische Daten für jeweils 60 Katalysatoren parallel bestimmt, indem ein 64-Kanal- Reaktormodul eingesetzt wurde. Die einzelnen Reaktionskanäle waren kreisförmig.
Gemäß Schritt a) wurden in die 64 Kanäle des Moduls die kata
lytischen Materialien unterschiedlicher Zusammensetzung einge
bracht. Um in jedem Kanal die gleiche Gaszusammensetzungen und
Strömungsgeschwindigkeiten zu erzielen, wurden den Reaktoren
Blenden vorgeschaltet, die den Druckverlust des strömenden Reak
tionsgases festlegten. Die Einzelkanäle befanden sich in einen
elektrisch beheizten Keramikblock, der gleiche Temperaturen in
jedem Reaktionskanal gewährleistete. Die Abmessungen der
Reaktionskanäle, Stoff- und Materialdaten sind im folgenden
zusammengefaßt:
Dichte der Katalysator-Schüttschicht: 600 kg/m3
Innendurchmesser eines Reaktionskanals: 0.070 m
Wandstärke der Reaktorrohrwand: 0.020 m
Wärmeleitfähigkeit des Reaktorwand: 15.0 W/m/K
Radiale Wärmeleitfähigkeit der Schüttung: 0.65 W/m/K
Wärmeübergangskoeffizient Schüttung/Rohr: 54.5 W/m2/K
Dichte der Katalysator-Schüttschicht: 600 kg/m3
Innendurchmesser eines Reaktionskanals: 0.070 m
Wandstärke der Reaktorrohrwand: 0.020 m
Wärmeleitfähigkeit des Reaktorwand: 15.0 W/m/K
Radiale Wärmeleitfähigkeit der Schüttung: 0.65 W/m/K
Wärmeübergangskoeffizient Schüttung/Rohr: 54.5 W/m2/K
Gemäß Schritt b) wurden zunächst alle Katalysatoren bei den
gleichen Reaktionsbedingungen untersucht (773 K, Masse der Kata
lysatoren in jedem Kanal = 50 mg, Volumenstrom 15 ml/min.
Konzentration Sauerstoff = 4.1 mol/m3, Eingangskonzentration
Propan = 12.3 mol/m3). Dazu wurde die Zusammensetzung des Reak
tionsgases vor und hinter den Reaktionskanälen mit Hilfe schnel
ler analytischer Methoden bestimmt. Dazu wurde ein Gaschro
matograph (Fa. HP, Typ 6890) in Kombination mit einem Flugzeit
massenspektrometer (Fa. LECO Typ Pegasus) als Detektor verwendet.
Die Gaszusammensetzung konnte so für jeden Kanal innerhalb einer
Minute bestimmt werden.
Die untersuchten katalytischen Materialien und ihre
Zuordnung zu den nummerierten Reaktionskanälen des
Reaktormoduls sind in Tabelle 1 zusammengefasst, die
Messergebnisse (Propan- und Sauerstoffumsätze, Produkt
selektivitäten und -ausbeuten) sind in der Tabelle 2
dokumentiert.
Kanal | |
Stöchiometrische Zusammensetzung der Katalysatoren | |
1 | V0,34Mg0,42Mo0,11Ga0,13 |
2 | V0,16Mg0,11Mo0,17Fe0,09Ga0,47 |
3 | V0,52Mo0,13Mn0,13Ga0,22 |
5 | V0,16Mg0,34Mo0,08La0,28Ga0,14 |
7 | V0,15Mg0,64Mo0,07Ga0,14 |
8 | V0,42Mg0,26Mo0,21Mn0,11 |
9 | V0,26Mg0,55Mo0,13Ga0,06 |
10 | V0,23Mg0,48Mo0,11Fe0,18 |
11 | V0,43Mg0,26Mo0,11Mn0,03Ga0,18 |
12 | V0,13Mg0,18Mo0,14La0,02Fe0,14Ga0,39 |
15 | V0,34Mg0,27Mo0,04Mn0,2Ga0,14 |
16 | V0,42Mo0,18Fe0,21Ga0,18 |
17 | V0,13Mg0,53Mo0,12Ga0,23 |
18 | V0,25Mo0,28Mn0,15Fe0,47Ga0,1 |
19 | V0,15Mg0,21Mo0,16Fe0,04Ga0,44 |
20 | V0,34Mg0,44Fe0,23 |
22 | V0,37Mg0,38Mo0,09Ga0,16 |
23 | V0,3Mg0,42Mo0,13Fe0,15 |
24 | Mg0,9Ga0,1 |
25 | V0,32Mg0,33Mo0,07Ga0,28 |
26 | V0,19Mg0,2Mo0,09Fe0,35Ga0,17 |
27 | V0,23Mg0,33Mo0,1Fe0,23Ga0,1 |
64 | V0,49Mg0,47Fe0,04 |
28 | V0,25Mg0,3Mo0,12Mn0,12Ga0,21 |
29 | V0,33Mg0,21Mo0,11Fe0,22Ga0,13 |
30 | Mg0,43Mo0,19Ga0,37 |
65 | V0,23Mg0,2Mo0,24Mn0,34 |
32 | V0,16Mg0,11Mo0,17Fe0,09Ga0,47 |
33 | V0,51Mg0,26Mo0,12Ga0,11 |
34 | V0,16Mg0,17B0,45Mo0,08Ga0,14 |
35 | V0,38Mg0,4Mo0,18Ga0,04 |
36 | V0,28Mg0,59Ga0,13 |
37 | V0,24Mg0,23Mo0,43Fe0,02Ga0,08 |
38 | V0,45Mg0,28Mo0,11Mn0,06Ga0,1 |
39 | V0,42Mg0,29Mo0,09Fe0,11Ga0,09 |
40 | V0,46Mg0,28Mn0,06Ga0,2 |
41 | V0,23Mg0,32Fe0,12Ga0,33 |
42 | V0,18Mg0,78Ga0,04 |
43 | V0,46Mo0,23Mn0,12Ga0,19 |
45 | V0,32Mg0,18Mo0,04Mn0,19Ga0,27 |
46 | V0,19Mg0,39Mo0,09Ga0,33 |
47 | Mo0,11Mn0,51Ga0,37 |
48 | V0,45Mg0,24Mo0,11Ga0,2 |
49 | V0,24Mg0,3Mo0,08La0,12Fe0,16Ga0,09 |
50 | V0,4Mg0,42Mo0,09Ga0,09 |
52 | V0,17Mg0,24Mo0,07La0,16Fe0,09Ga0,27 |
53 | V0,12Mg0,25Mo0,11La0,46Ga0,05 |
54 | Mg0,43Mo0,19Ga0,37 |
56 | V0,12Mg0,31Mo0,09Ga0,47 |
57 | V0,44Mg0,46Mo0,1 |
58 | V0,46Mg0,28Mn0,06Ga0,2 |
59 | B0,3Mo0,09Mn0,5Ga0,1 |
60 | V0,42Mg0,37Mo0,05Ga0,09 |
61 | V0,25Mg0,52Mo0,12Ga0,11 |
62 | Mg0,75Mo0,08Ga0,16 |
63 | V0,28Mg0,57Mo0,13 |
Gemäß Schritt c) wurden die Reaktionsbedingungen variiert.
Die entsprechenden Bereiche von Druck, Temperatur, Konzentra
tionen von Propan und Sauerstoff am Eingang jedes Reaktionskanals
sind im folgenden zusammengefaßt.
Volumenstrom Reaktoreingang: 15 ml/min bis 77 ml/min
Eingangs-Temperatur Reaktionsgemisch: 673 K bis 823 K
Gesamtdruck (= Druck am Eingang): 0.1 MPa
Katalysatormasse: 50 mg
Konzentration Propan: 12.3 mol/m3
Konzentration Sauerstoff: 4.1 mol/m3 bis 6.15 mol/m3
Volumenstrom Reaktoreingang: 15 ml/min bis 77 ml/min
Eingangs-Temperatur Reaktionsgemisch: 673 K bis 823 K
Gesamtdruck (= Druck am Eingang): 0.1 MPa
Katalysatormasse: 50 mg
Konzentration Propan: 12.3 mol/m3
Konzentration Sauerstoff: 4.1 mol/m3 bis 6.15 mol/m3
Gemäß Schritt d) wurden die am Reaktorein- und -ausgang
gemessenen Werte für Druck und Konzentrationen von Propan, Pro
pen, Kohlenoxide und Sauerstoff in die folgenden kinetischen
Gleichungen eingefügt:
In diesen Gleichungen entspricht rj der Geschwindigkeit des be
stimmten Reaktionsschrittes j des Reaktionsnetzwerkes mit j
gleich 1, 2 oder 3, k 0|j einem präexponentiellen Faktor dieser
Reaktion j, Ej der Aktivierungsenergie, R ist die relative Gas
konstante, T ist die Reaktionstemperatur, c(C3H8) ist die
Konzentration von Propan, c(C3H6) ist die Konzentration von
Propen und c(O2) ist die Konzentration von Sauerstoff.
Mit den Gleichungen (1) bis (3) ergeben sich folgende Glei
chungen zur Berechnung der Stoffänderungsgeschwindigkeiten Ri
von Propan, Propen, Kohlenoxiden und Sauerstoff (Gleichungen
(4) bis (6):
R(C3H8) = -r1 - r2 (4) Propan
R(C3H6) = r2 - r3 (5) Propen
R(COx) = 3.(r2 + r3) (6) COx
R(C3H8) = -r1 - r2 (4) Propan
R(C3H6) = r2 - r3 (5) Propen
R(COx) = 3.(r2 + r3) (6) COx
Zur Bestimmung der Werte k 0|1, k 0|2, k 0|3, E1, E2 und E3 gemäß Schritt
d) wurden diese Parameter mit Hilfe des Simplexverfahren als
numerisches Optimierverfahren so variiert, dass die mit den
Gleichungen (4)-(6) berechneten Werte der Konzentrationen von
Propan, Propen, Ethan, Ethen und Kohlenoxiden mit den
experimentellen Werten im Rahmen der statistischen Fehlergrenzen
übereinstimmten (Anpassen der kinetischen Gleichung).
Die aus dieser Vorgehensweise resultierenden Werte für k 0|1, k 0|2,
k 0|3, E1, E2 und E3 sowie die Werte der Geschwindigkeitskonstanten
k1, k2, k3 bei 773 K, die sich aus der Gleichung (7) ergeben
sind für 4 der parallel untersuchten 60 Katalysatoren in Ta
belle 3 zusammengefasst. Gleichfalls sind in Tabelle 3 für die
Referenztemperatur von 773 K die entsprechenden Weisz-Moduli
(berechnet nach Gleichung (8)) und die Werte des Mears-
Kriteriums dokumentiert (berechnet nach Gleichung (9)), die als
Kriterien zur Abschätzung innerer bzw. äußerer Stoff- und Wär
metransportlimitierungen dienen
Weiszmodul:
Weiszmodul:
Mears-Kriterium:
Reff,i ist die messbare effektive Stoffänderungsgeschwindigkeit
einer Komponente i ist, Di ist der Diffusionskoeffizient der
Komponente i in der Reaktantenmischung, ci ist die Konzentration
der Komponente i in der Reaktionsmischung, kc ist der Stoffüber
gangskoeffizient der Komponente i zwischen der gasförmigen oder
flüssigen Reaktantenmischung und der Katalysatoroberfläche, a ist
die äußere Oberfläche der Katalysatorpartikel, r ist der
Partikeldurchmesser, n ist die Reaktionsordnung und cgi ist die
Konzentration der Komponente i in der Gasphase.
Die Werte des Weisz-Moduls und des Mears-Kriteriums in Tabelle
3 basieren auf der effektiven Geschwindigkeit der Sauerstoffum
setzung (Reff). Es gilt, dass keine Stofftransportlimitierungen
vorliegen, wenn die Bedingungen Weisz-Modul < 0.1 und Mears-
Kriterium < 0.15 erfüllt sind.
Gemäß Schritt e) werden nun auf der Grundlage der kinetischen
Gleichungen (1) bis (7) und den kinetischen Parametern der Tabelle
3 die Ausbeuten des gewünschten Zielproduktes Propen in
Abhängigkeit von der Temperatur und der Verweilzeit bei einem
konstanten Propan/Sauerstoffverhältnis von 2 : 1 berechnet (siehe
Abb. 1 und 2).
Gemäß Schritt f) wurden die Temperaturen und Verweilzeiten er
mittelt, bei denen die höchsten Propenausbeuten auftreten. Im
betrachteten Beispiel werden die höchsten Ausbeuten bei der Reak
tionstemperatur von 873 K erhalten. Gleichfalls wurde ermittelt,
daß Verweilzeiten < 0.8 g s ml-1 zu den höchsten Propenausbeuten
bei einem konstanten Propan/Sauerstoffverhältnis 2 : 1 führen.
Gemäß Schritt g) erfolgte die Einstellung dieser prognostizierten
Bedingungen. Die Ergebnisse der Berechnung und der ex
perimentellen Überprüfung sind im folgenden zusammengefaßt:
Der Prognose liegen folgende Reaktionsbedingungen zugrunde:
Masse der Katalysatoren in jedem Kanal = 50 mg, Volumenstrom =
15 ml/min. Konzentration Sauerstoff = 6.15 mol/m3, Eingangskon
zentration Propan = 12.3 mol/m3, Temperatur = 873 K)
Da eine gute Übereinstimmung zwischen Berechnung und experimen
teller Überprüfung zu verzeichnen ist, kann nun die Testung neuer
modifizierter Katalysatoren im Rahmen des high-throughput-
screenings bei den höheren Temperaturen und höheren Verweilzeiten
gemäß h) erfolgen.
Der Vorteil des Einsatzes der kinetischen Gleichungen zur
Ermittlung der optimalen Testbedingungen gegenüber der
herkömmlichen empirischen Optimierung der Reaktionsbedingungen,
besteht darin, dass Vorhersagen über die Katalysatorleistung
unter solchen Reaktionsbedingungen getroffen werden können, die
außerhalb des experimentell bereits untersuchten Bereiches liegen
können. Dies führt zu einer erheblichen Senkung des Zeitaufwandes
zur Ermittlung der Leistungsparameter der Katalysatoren.
Gleichfalls konnte für die 4 ausgewählten Katalysatoren gezeigt
werden, dass eine Änderung der Reihenfolge ihrer Leistung in Ab
hängigkeit von der Temperatur in folgender Weise eintritt:
Dieser für die Entwicklung und Optimierung katalytischer Mate
rialien wichtige Befund kann auf der Grundlage der herkömmlichen
Techniken des High-Throughput-Screenings bei konstanten Testbe
dingungen nicht erhalten werden. Erst die Kombination des High-
Throughput-Screenings mit der gleichzeitigen Ermittlung kine
tischer Daten ermöglicht eine effektivere Bestimmung der Lei
stungsparameter der Katalysatoren und der optimalen Reaktions
bedingungen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Fest
stoffkatalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzung für ein
Reaktionsnetzwerk, bestehend aus parallel und nacheinander
ablaufenden Reaktionen, die im Gaszustand, in der
Flüssigphase oder an der Grenzfläche zwischen Gas- und Flüs
sigphase ablaufen, gekennzeichnet durch
- a) Einbringen von Katalysatoren unterschiedlicher Zusammen setzung in ein Reaktormodul, wobei sich jeweils eine bestimmte Katalysatorzusammensetzung in einer bestimmten Menge in einem der parallel angeordneten dreidimensionalen Reaktionsräume befindet;
- b) Erfassung der Eingangskonzentrationen der Gase, mit denen das Reaktormodul bzw. die einzelnen Reaktionsräume beauf schlagt werden, und der Ausgangskonzentrationen der Gase, Flüssigkeiten oder Gase und Flüssigkeiten, die aus dem je weiligen Reaktionsraum austreten, für alle im Reaktormodul angeordneten Katalysatoren bei gleichen Reaktions bedingungen;
- c) Erfassung der Eingangskonzentration der Gase, mit denen das Reaktormodul bzw. die einzelnen Reaktionsräume beauf schlagt werden, und der Ausgangskonzentrationen der Gase, die aus dem jeweiligen Reaktionsraum austreten, für alle in den Reaktionsräumen angeordneten Katalysatoren, wobei zunächst wenigstens eine, möglichst aber eine Vielzahl der Reaktionsbedingungen nämlich Temperatur, Druck oder Reaktions- bzw. Verweilzeit geändert wird;
- d) Anpassen einer kinetischen Gleichung des Typs
worin für die Funktion f(c1, . . ., ci, . . ., cn) ein Mars-van- Krevelen-Ansatz oder ein Langmuir-Hinshelwood-Ansatz oder Polynom-Ansätze oder Potenz-Ansätze gelten können, beispielsweise kann gelten
an die unter b) und c) erhaltenen Werte der Eingangs- und Ausgangskonzentrationen der Gase oder Flüssigkeiten oder Gase und Flüssigkeiten, indem die entsprechenden kinetischen Parameter kj0, kk0, Ki, Ej, Ek, p, aj und bj unter Einsatz bekannter numerischer Rechenverfahren (zum Beispiel Simplexverfahren, Marquardt-Levenberg-Verfahren, Newton-Ver fahren) ermittelt werden, wobei m die Zahl aller umgesetzten und gebildeten gasförmigen oder flüssigen Reaktionskom ponenten, n die Zahl der im Reaktionsraum ablaufenden Parallel- und Folgereaktionen, Ri die Stoffänderungsge schwindigkeit einer bestimmten gas- oder flüssigen Reaktionskomponente i mit i im Bereich von 1 bis m, ci die Konzentration dieser Reaktionskomponente 1, mcat die Masse des Katalysator im Reaktionsraum, der Gesamtvolumenstrom der gas- oder flüssigen Reaktionsmischung, νij der stöchio metrische Faktor einer bestimmten gas- oder flüssigen Reak tionskomponente i in der spezifischen Reaktion j mit j im Bereich von 1 bis n, kj und kj prä-exponentielle Faktoren sowie Ej und Ek Aktivierungsenergien der Geschwindigkeitskon stanten der j-ten und k-ten Reaktion unter den im Reak tionsnetzwerk betrachteten Parallel- und Folgereaktionen, Ki0 die Adsorptionskonstante und Hi die Adsorptionsenthalpie der Reaktionskomponente i, R die relative Gaskonstante, T die Temperatur, und ai, bi und p Exponenten in Bereich reeller Zahlen zwischen 0 und 10 sind - e) Einfügen der berechneten kinetischen Konstanten (kj, Ej,
kk, Ek, ai, bi, p) in die unter d) beschriebene kinetische
Gleichung und Ermittlung der Katalysatorleistungsfähigkeit
durch Berechnung der am Reaktorausgang erhaltenen
Selektivität und Ausbeute eines bevorzugten Reaktionspro
duktes mit Hilfe eines bekannten geeigneten Reaktormodells,
z. B. Pfropfenströmung oder Rührkessel, in das die kine
tischen Beziehungen nach d) eingehen, mit der Maßgabe, daß
die Reaktionsbedingungen so gewählt werden, daß sie
außerhalb von durch Diffusion oder Wärmetransport an und in
den Katalysatorteilchen beeinflussten Stoffänderungs
geschwindigkeiten Rj liegen,
wobei Selektivität und Ausbeute wie folgt definiert sind:
Selektivität:
Ausbaute:
ci ist die Konzentration des bevorzugten Reaktionsproduktes i am Reaktorausgang und ck ist die Konzentrationen eines bestimmten Ausgangsstoffes k, auf den die Ausbeute bezogen wird, und ist der Gesamtvolumenstrom der gas- oder flüs sigen Reaktionsmischung am Reaktorein- bzw. am -ausgang; - f) Berechnung der optimalen Reaktionsbedingungen bei denen
die höchste Katalysatorleistung, die entweder durch den
höchsten Umsatz, die höchste Ausbeute oder die höchste
Selektivität des Zielproduktes gekennzeichnet ist, erhalten
wird, indem die unter d) beschriebene kinetische Gleichung,
die nun die gemäß f) berechneten kinetischen Konstanten (kj,
Ej, kk, Ek, ai, bi, p) enthält, verwendet wird;
die Berechnung der optimalen Reaktionsbedingungen (Konzen tration der gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten ci, Masse des Katalysators mcat, Temperatur T und Volumenstrom V) aus der kinetischen Gleichung gemäß f) erfolgt mittels numerischer Simulation und Optimierung (zum Beispiel mittels Simplexverfahren, Marquardt-Levenberg-Ver fahren, Newton-Verfahren); - g) Einstellung der nach f) für den höchsten Umsatz oder die höchste Ausbeute oder die höchste Selektivität berechneten Reaktionsbedingungen und Überprüfung der Katalysatorlei stungen unter diesen Reaktionsbedingungen für jeden ein zelnen der sich im Reaktormodul befindenden Katalysatoren;
- h) bei Bestätigung der gemäß f) prognostizierten Werte durch die experimentelle Überprüfung gemäß g) Fortsetzung der Testung der Katalysatoren unter veränderten Reaktionsbe dingungen und Auswahl des besten Katalysators mit den entsprechenden Reaktionsbedingungen für die technische Nutzung;
- i) bei Nichtbestätigung der prognostizierten Werte, erneute Aufnahme des Berechnungsprozesses, beginnend mit d) unter Einsatz einer kinetischen Gleichung, die eine andere Funk tion f(c1, . . ., ci, . . ., cn) enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den
Katalysator enthaltende dreidimensionale Reaktionsraum in das
Reaktormodul eine rechteckigen, mehreckigen, kreisförmigen
oder eliptischen Querschnitt hat mit einer beliebigen kataly
tisch aktiven Länge L in mm, bevorzugt jedoch 1 mm bis 100 mm,
und einem effektiven Durchmesser deff von 10 µm bis 10 mm,
wobei das Verhältnis L : deff mindestens 5 : 1 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Katalysator im Reaktionsraum teilchenförmig angeordnet ist,
wobei die Teilchendurchmesser im Bereich von 3 bis 5000 µm
liegen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Katalysator als Schicht auf den Wänden des Reaktionsraumes
angeordnet ist, wobei die Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis
100 µm liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Querschnittsfläche des Reaktionsraumes im Bereich von 0,01 bis
50 mm2 liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge des Reaktionsraumes im Bereich von 0,1 bis 10 mm liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Reaktormodul eine Vielzahl, bevorzugt jedoch 10 bis 100, im
wesentlichen parallel angeordnete Reaktionsräume in Form von
Reaktionskanälen aufweist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2001101118 DE10101118C2 (de) | 2001-01-05 | 2001-01-05 | Verfahren zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Feststoffkatalysatoren für ein Reaktionsnetzwerk |
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