-- Pagina 1
Chemische Reactoren
Dominic van Berkel Onder begeleiding van dhr. Weenen Klas V6D 2006/2007
-- Pagina 2
Inhoud Inleiding................................................................................................................................................3 1. De reactie..........................................................................................................................................4 1.1 Inleiding..................................................................................................................................... 4 1.2 Reactiemechanisme................................................................................................................... 4 1.3 Fysische aspecten.......................................................................................................................6 2. De Reactor........................................................................................................................................ 8 2.1 Verschillende soorten reactoren.................................................................................................8 2.1.1 PFR.....................................................................................................................................8 2.1.2 Batchreactor....................................................................................................................... 8 2.1.3 CSTR..................................................................................................................................8 2.1.4 Continu Geroerde Semibatchreactor.................................................................................. 8 2.2 Het gebruik van de reactor.........................................................................................................9 2.2.1 Veiligheid...........................................................................................................................9 2.2.2 Gebruiksprocedures........................................................................................................... 9 2.2.2.1 Opstartprocedure........................................................................................................ 9 2.2.2.2 Reactie beginnen...................................................................................................... 10 2.2.2.3 Afbreken van de reactie............................................................................................10 3. Opzet van het onderzoek................................................................................................................ 11 3.1 Variabelen................................................................................................................................ 11 3.2 Onze variaties.......................................................................................................................... 11 3.2.1 Lijst van alle variaties:..................................................................................................... 12 3.3 Voorspellingen.........................................................................................................................12 3.3.1 Temperatuur..................................................................................................................... 12 3.3.2 Zuurstofflow.....................................................................................................................13 3.3.3 Hoeveelheid katalysator................................................................................................... 13 3.3.4 Roersnelheid.....................................................................................................................13 4. Rekenwerk...................................................................................................................................... 14 4.1 Gemeten en gezocht.................................................................................................................14 4.2 Alles op een rijtje..................................................................................................................... 15 5. Resultaten en Conclusies................................................................................................................ 16 5.1 Temperatuur.............................................................................................................................16 5.2 Zuurtegraad:.............................................................................................................................16 5.3 Katalysatorconcentratie........................................................................................................... 17 Bijlage 1: Flowchart reactor............................................................................................................... 18 Bijlage 2: Meetresultaten....................................................................................................................19 Bibliografie.........................................................................................................................................21 Logboek.............................................................................................................................................. 22
Inleiding -- Pagina 3
Inleiding Voor u ligt het profielwerkstuk van Dominic van Berkel. Het is een onderzoek naar de invloed van verschillende omgevingsvariabelen op een reactie tussen zuurstof en glucose. Ik heb dit onderzoek uitgevoerd in het kader van de VWO Werkweek Scheikundige Technologie aan de Technische Universiteit Eindhoven. Daarom wil ik allereerst Ben Bovendeerd bedanken, de student aldaar die mijn groep een week heeft begeleid en me ondersteund heeft na de kroegentocht. Ook bedankt aan mijn teamgenoten: Elien Engels, Koen Haalen, Branco Kusters, Rene Rompen en Tianhao Nan. Wie ik ook niet wil vergeten zijn Hannah Sprong en Koen (van wie ik helaas de achternaam niet heb), omdat de bewuste week door hen nog een stuk leuker is geworden. Als laatste bedank ik dhr. Weenen, die scheikunde altijd boeiend blijft maken. Deze week heeft ook bijgedragen aan mijn studiekeuze. Ik twijfelde nog tussen Scheikundige Technologie en Technische Natuurkunde, maar na deze week heb ik toch besloten om Technische Natuurkunde te gaan studeren, wel eventueel met een minor scheikunde. Dominic van Berkel Januari 2007
1. De reactie -- Pagina 4
1. De reactie 1.1 Inleiding In het onderzoek hebben we gekeken naar de invloed van procesparameters op de reactie tussen zuurstof en in water opgelost glucose. Door de manier waarop de reactie word uitgevoerd hebben we hier te maken met een zogeheten oxidatieve dehydrogeneringsreactie, wat wil zeggen dat er waterstof vrijkomt. Die reageert vervolgens met het aanwezige zuurstof, waardoor water ontstaat. We voegen aan het mengsel een katalysator toe, omdat anders de reactie afhankelijk is van de in neutraal water aanwezige OH- (10-7 molL-1) en dus bijzonder traag zal verlopen. Ik zal uitleggen hoe dit komt aan de hand van een uitgebreide beschrijving van het reactiemechanisme. Allereerst de netto-reactie: 1 C 6 H 12 O 6 O 2 NaOH Na C 6 H 12 O7 H 2 O 2 Oftewel: 1 Glucose O2 NaOH Natriumgluconaat H 2 O 2
1.2 Reactiemechanisme Zoals veel reacties in de praktijk gaat het hier niet om twee moleculen die tegen elkaar aan "rammen", wat elektronen besluiten te delen en vervolgens als nieuw molecuul door het leven gaan. In feite is het een redelijk ingewikkeld mechanisme, vooral door de tussenkomst van de katalysator. Allereerst moet de katalysator, een mengsel van palladium en bismut op actieve kool, geactiveerd worden. In ons geval wil dat zeggen dat zich hydroxylgroepen aan het bismut binden.
En dan komt nu het glucose in het spel. Hier de meest gangbare manier om glucose in een structuurformule te noteren:
We gebruiken hier een andere notatie. Dit omdat maar een klein deel van het molecuul in de reactie voorkomt, en zo is de beschrijving van het reactiemechanisme overzichtelijker.
1.2 Reactiemechanisme -- Pagina 5
De verdere reactie is op te delen in 6 stappen.
a. Door de iets grotere elektronegativiteit van Bi wordt er een elektron overgedragen va Pd naar Bi. Hierdoor is de Pd iets positiever, en dus reactief met negatieve deeltjes. Door het extra elektron op Bi wordt de daaraan gekoppelde OH- groep meer elektronegatief. Als er dan een watermolecuul dichtbij genoeg komt kan er een waterstofatoom overspringen van dat water naar de OH--groep (stap 1). b. Als gevolg bevindt zich nu een vrij OH--ion in de oplossing. Dit neemt op zijn beurt in stap 2 een atoom waterstof over van een glucosemolecuul dat aan het katalysatoroppervlak zit geadsorbeerd. In stap 3 klapt de binding van dat H-atoom om naar de O.
c. Het molecuul bevindt zich nu in een overgangs-, oftewel transitietoestand. Het zuurstofatoom van het (voormalige) glucosemolecuul is nu negatief geladen, en dringend op zoek naar een positief geladen deeltje: het is dus zeer reactief. De negatieve lading op het O-atoom wordt verdeeld over het O en C-atoom. d. Dit heeft tot gevolg dat in stap 4 een van de vrije elektronenparen omslaat van O naar C. Hiermee overschrijdt het koolstofatoom zijn valentie van 4, en moet er dus iets afgestoten worden. Aangezien het een negatief deeltje betreft is hiervoor plaats op het katalysatoroppervlak, bij het positief geladen palladium. In stap 5 verplaatst het waterstofatoom (op dat moment in feite H-!) zich naar de katalysator, om een neutrale verbinding te vormen.
1.2 Reactiemechanisme -- Pagina 6
e. Hier is de gevormde glucose halfacetaal te zien. Dit is in een waterige oplossing niet staviel. f. Het wordt dan ook gehydrolyseerd tot wat in feite het carbonzuur is van glucose. Dit wordt vervolgens met NaOH geneutraliseerd, wat resulteert in water en opgelost natriumgluconaat. C 6 H 12 O7 OH − C 6 H 11 O−7 H 2 O Na Na
1.3 Fysische aspecten De reactie is afhankelijk van onder meer de hoeveelheid energie die nodig is om bepaalde elektronen te verplaatsen als een in water opgelost glucosemolecuul dicht genoeg bij het katalysatoroppervlak komt. Als echter blijkt dat de reactiesnelheid (wat betreft de concentraties van de deelnemende stoffen) primair afhankelijk is van zuurstof kan hier niet de beperkende factor in liggen. De beperkende factor ligt niet in de zojuist beschreven reactie, maar primair in het proces van zuurstoftransport naar de katalysator toe. Dit is meer een fysisch dan chemisch verhaal, maar ik zal het vanwege de relevantie toch bespreken.
Voordat het zuurstof de katalysator bereikt zijn er twee barrières te overwinnen. Terwijl we ervoor zorgen dat het glucose al opgelost is, borrelen we het zuurstof er doorheen. Als eerste moet het zuurstof dus oplossen in water. I: N O2 = K g l ⋅ A g l ⋅C il −C l
1.3 Fysische aspecten -- Pagina 7 NO2: Aantal mol O2 Kg-> l: snelheidsconstante voor de overgang van gas naar vloeibaar Ag->l: "reactieoppervlak", oppervlakte grensvlak/interface Cli: concentratie in het grensvlak Cl: concentratie in vloeibaar Anders gezegd: het aantal mol in de eerste grenslaag is afhankelijk van de snelheidsconstante en van het reactieoppervlak. Omgeschreven naar een iets meer betekenisvolle vergelijking wordt dit: N O2 = C il − C l K g l ⋅ A g l Vervolgens is er nog een barrière te overwinnen: van vloeibaar naar de grenslaag tussen de vloeibare en vaste fase. II: N O2 = K l s ⋅ Al s ⋅C l −C s Kl->s: snelheidsconstante voor de overgang van vloeibaar naar grenslaag Ag->l: "reactieoppervlak", uitwendig oppervlak van de grenslaag Cs: concentratie in de vaste fase Omgeschreven: N O2 = Cl − C s K l s ⋅ Al s Als laatste is er nog de overgang van die grenslaag naar de vaste fase. Hierbij wordt de oppervlakte vervangen door de katalysatorconcentratie, aangezien die evenredig zijn. III: N O2 = K s v ⋅C kat ⋅ C s Ks->v: snelheidsconstante voor de overgang van grenslaag naar vast Ckat: concentratie van de katalysator Cs: concentratie in de vaste fase Omgeschreven: N O2 = Cs K s v ⋅C kat Uit deze set vergelijkingen valt te sluiten dat de snelheid voor een zeer groot deel afhankelijk is van de respectievelijke reactieoppervlakken.
2. De Reactor -- Pagina 8
2. De Reactor 2.1 Verschillende soorten reactoren Binnen de chemische industrie wordt gebruik gemaakt van een groot aantal verschillende reactoren. Welke reactor men gebruikt hangt uiteraard af van de uitgevoerde reactie.
2.1.1 PFR Een reactie die relatief snel verloopt is bijvoorbeeld geschikt om uit te voeren in een zogeheten PFR. De PFR, wat staat voor "Plug Flow Reactor", is voor te stellen als een buis met twee ingangen en één uitgang. De ingaande stoffen mengen zich in de buis, reageren, en bij de uitgang is alleen het reactieproduct nog over. Een van de voordelen van een buis is dat het mengsel goed te koelen is door te buis smal te houden en door koud water te leiden. Hetzelfde geld natuurlijk voor verwarming. Als de reactie te traag verloopt is een PFR niet ideaal, omdat je dan een buitengewoon lange buis nodig hebt om zeker te kunnen zijn dat alles is opgereageerd. Om meerdere stoffen te laten reageren zul je verschillende PFR's in serie moeten schakelen, wat voor een erg uitgebreide installatie kan zorgen waarin foutopsporing moeilijk zal zijn.
2.1.2 Batchreactor De batchreactor is in feite weinig anders dan de op scholen meestgebruikte proefopstelling. Hij bestaat uit een reactiepot met een vrijwel onbeperkt aantal ingangen, een uitgang, en doorgaans een roermechaniek. Een batchreactor gebruik je simpelweg door de te reageren stoffen (tegelijk, of stuk voor stuk) in de pot te doen en te wachten. Uiteraard valt er met batchreactoren veel aan omstandigheden te varieren, hoewel ze door hun vorm erg gevoelig zijn voor schaalvergroting. Immers, als ik het formaat van een bol (of ieder ander ruimtelijk voorwerp) met een factor 2 vergroot wordt de inhoud met een factor 23 vergroot, terwijl het uitwendig oppervlak slechts met een factor 22 wordt vergroot. De absolute reactiesnelheid wordt dus ook met een factor 23 vergroot, terwijl het oppervlak dat beschikbaar is voor bijvoorbeeld warmteafvoer veel minder vergroot wordt. Dit verschil moet bij een schaalvergroting van maatkolf naar industrieopstelling worden opgevangen, of de reactor zal snel oververhitten. De batchreactor is uiteraard vooral geschikt voor reacties die een langere of onbepaalde tijd nodig hebben om te verlopen.
2.1.3 CSTR De CSTR (Continually Stirred Tank Reactor) is eigenlijk een combinatie tussen een batchreactor en een PFR. Het enige wat direct van de batchreactor komt is het roermechanisme, wat wederom vereist dat de vorm word aangepast naar een meer bolle vorm.
2.1.4 Continu Geroerde Semibatchreactor Dit is (een omschrijving van) de reactor Illustration 1: De binnenzijde van een CSTR. Bron: waarvan wij tijdens onze experimenten en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reactor gebruik hebben gemaakt. Net als de CSTR heeft deze elementen van zowel de batchreactor als van
2.1 Verschillende soorten reactoren -- Pagina 9 de PFR. Het belangrijkste onderdeel is weer de reactiepot. Hierin worden de stoffen (in ons geval een glucoseoplossing en de katalysator) bij elkaar gebracht. Tijdens de reactie wordt zuurstof door het mengsel geborreld, dit is het enige echte PFR-element. Ingangen: - Gasmengsel (Zuurstof) - Reactiemengsel - NaOH-titratie - pH-meter - (Temperatuurmeting) Uitgangen: - Afvoer (met filter) - Gasmengsel In bijlage 1 staat een gedetailleerde “plattegrond” van onze reactor.
2.2 Het gebruik van de reactor Om de reactor niet te beschadigen en de metingen zo nauwkeurig mogelijk uit te kunnen voeren moesten we een aantal voorschriften in acht nemen bij het inschakelen en het voorbereiden van de reactie. Ook veiligheid speelt hierbij een rol.
2.2.1 Veiligheid Op een bepaald punt in de reactie maakt zich waterstof los van een glucosemolecuul. Soms, vooral bij een hoge pH, kan er een beetje van dit waterstof vrijkomen, en samen met zuurstof een knalgasmengsel vormen. Om dit te voorkomen moeten we de zuurstofflow niet te hoog laten worden, wat neerkomt op minder dan 20% van het maximum. Verder werken we met 5M NaOH. Hiermee komen we echter in principe niet in aanraking, omdat er aan het begin van de week een ruime hoeveelheid in de titrator werd gedaan. De pH van het mengsel in het reactievat wordt ook redelijk neutraal gehouden (bij onze opstellingen bleef de pH op 9) en vormt dus ook geen gevaar.
2.2.2 Gebruiksprocedures Er is een duidelijke procedure voor het opstarten, gebruiken en uitschakelen van de reactor.
2.2.2.1 Opstartprocedure 1. N2-flow aanzetten. De gasflowcontroller heeft verschillende kanalen. Voor het stikstof instellen op kanaal 1, vervolgens flow instellen op 44% 2. Als dit nog nodig is, reactor leegpompen. Opletten: pomp alleen instellen op forward, anders scheurt het filter. 3. Katalysator afwegen en met voldoende water (200-450ml) overbrengen in de reactor. Grondig naspoelen. 4. Thermostaat aanzetten, temperatuur instellen. Zowel de sensor in de thermostaat als die in de reactor controleren. Koelwater aanzetten. 5. Roerder aanzetten. Wachten tot de O2-sensor 0% aangeeft.
2.2 Het gebruik van de reactor -- Pagina 10 6. De titrator: end point (gewenste pH tijdens de reactie) instellen, buret aanzetten en vullen. Slangetje doorspoelen tot er geen lucht meer inzit, dan reset-knop indrukken. 7. Glucose-oplossing toevoegen tot het totaal op ongeveer 500ml staat. Wachten tot er geen NaOH meer verbruikt wordt.
2.2.2.2 Reactie beginnen Als temperatuur en pH stabiel zijn op de gewenste hoeveelheden kan de reactie gestart worden. 8. Zuurstofkraan openzetten, O2-flow instellen op de gewenste waarde (zoals eerder gezegd, maximaal 20%).
2.2.2.3 Afbreken van de reactie 9. Allereerst O2-flow op 0%. Thermostaat uitzetten, titrator stoppen. 10. Reactor leegpompen (weer, alleen op forward). 11. Omdat de filterpapiertjes vrij duur zijn halen we die van het filter af en proberen we de katalysator eraf te spoelen, zodat we ze kunnen hergebruiken. 12. Roerder uit, koelwater uit. 13. Gaskranen O2 en N2 dichtdraaien.
3. Opzet van het onderzoek -- Pagina 11
3. Opzet van het onderzoek 3.1 Variabelen Met onze reactor hebben we de mogelijkheid om een aantal parameters te variëren: Zuurtegraad Door middel van een NaOH-titratie kunnen we de pH in principe variëren tussen 7 en 14. Temperatuur Verbonden aan het reactievat zit een thermostaat, waarmee we qua temperatuur een bereik hebben van 20 (kamertemperatuur) to 90C (niet te hoog: de oplossing heeft een min of meer onbekend kookpunt/traject, dus we moeten voorzichtig zijn). Concentratie glucose Hoeveelheid katalysator Concentratie zuurstof Roersnelheid
3.2 Onze variaties Vanwege de enigszins beperkte tijd en het feit dat bepaalde variaties vrijwel geen invloed zouden hebben (zoals de glucoseconcentratie, aangezien glucose hier van de nulde orde is) hebben we drie variabelen uitgekozen. Bij iedere metingsrun varieerden we één parameter, terwijl er verder (arbitraire) standaardomstandigheden heersten. Iedere variatie voerden we uit bij verschillende toerentallen, omdat dit met relatief weinig moeite beduidend meer metingen oplevert. Het veranderen van bijvoorbeeld temperatuur en zuurtegraad kost immers vrij veel tijd, terwijl het veranderen van het toerental een kwestie van seconden is. Wij hebben de volgende parameters gevarieerd: Temperatuur: 30C, 40C, 50C, 60C. Hierbij de praktische kanttekening dat het het beste is om bij een lage temperatuur te beginnen, omdat verwarmen beduidend sneller gaat dan afkoelen (de koelinstallatie was alleen verbonden met de thermostaat, niet met het reactievat). Hoeveelheid katalysator: 1g, 1.5g, 2g, 2.5g, 3g. De katalysator zoals wij hem hadden bestaat voor 60% uit vocht, dus voor iedere gram drooggewicht moeten we 2.5 gram natte katalysator afwegen. Deze waarden zijn het drooggewicht. Zuurstofflow: 1%, 5%, 10%, 15%, 20%. Geen 0% aangezien de reactie dan niet loopt. Standaardomstandigheden: pH:
9
Temperatuur: 50C Katalysator:
1g drooggewicht
Zuurstofflow: 10% Een aantal metingen overlappen elkaar. Bij het variëren van de zuurstofflow kunnen we bijvoorbeeld de 10%-meting negeren, omdat die in feite al uitgevoerd is bij Temperatuur=50C.
3.2 Onze variaties -- Pagina 12
3.2.1 Lijst van alle variaties: T (C) Kat (g) O2 (%) Temperatuur: 30
1.0
10
40
1.0
10
50
1.0
10
60
1.0
10
Zuurstofflow: 50
1.0
1
50
1.0
5
50
1.0
15
50
1.0
20
Katalysator: 50
1.5
10
50
2.0
10
50
2.5
10
50
3.0
10
Al deze metingen zijn uitgevoerd met de toerentallen 1000, 1250, 750, 1500, 1000, 500. 1000 toeren komt twee keer voor als een soort ijkpunt, om te controleren of de overige omstandigheden ook echt hetzelfde blijven.
3.3 Voorspellingen Voordat we van een onderzoek kunnen spreken moet er eerst een hypothese zijn. Hier komt dat neer op voorspellen wat voor invloed de verschillende factoren op de reactiesnelheid hebben, of hoe de reactiesnelheid veranderd naargelang we de parameters aanpassen.
3.3.1 Temperatuur De makkelijkste manier om dit te voorspellen is aan de hand van het botsende-deeltjes model. Aangezien temperatuur de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes in een bepaalde stof is, wordt (gemiddeld) de snelheid van elk deeltje hoger bij het opvoeren van de temperatuur. De gemiddelde botsingssnelheid is altijd het kwadraat van de gemiddelde snelheid voor een deeltje, en de kans dat een botsing effectief is zal dus snel oplopen. Daarnaast zal het aantal botsingen per seconden ook oplopen. Hieruit kunnen we sluiten dat de reactiesnelheid bij temperatuurverhoging eerst steeds sneller meer wordt (stijgende paraboolcurve), om daarna tegen een limiet aan te lopen. De uiteindelijke grens ligt in ons systeem uiteraard rond de 100 graden Celsius, aangezien de reactie dan niet meer loopt: ten eerste omdat de dichtheid na verdamping zodanig klein is dat de reactiesnelheid drastisch zou verminderen, en ten tweede omdat we te maken hebben met een vaste katalysator en het niet verdampen van de glucose.
3.3 Voorspellingen -- Pagina 13
3.3.2 Zuurstofflow Hoewel de hoeveelheid zuurstof de enige beperkende factor is binnen de reactie zal het veranderen van de zuurstofflow maar een vrij beperkte invloed hebben op de reactiesnelheid. Dit komt mede doordat maar een zeer klein deel van de toegevoerde zuurstof ook oplost in het water.
3.3.3 Hoeveelheid katalysator De invloed van het veranderen van de hoeveelheid katalysator zal minimaal of zelfs afwezig zijn, omdat de katalysator niet met meer zuurstof kan reageren dan dat er oplost, en deze hoeveelheid is vrij miniem.
3.3.4 Roersnelheid De reactiesnelheid is primair afhankelijk van de hoeveelheid zuurstof die opgelost is in het mengsel. Deze hoeveelheid kan drastisch vergroot worden door het "reactieoppervlak" bij het oplossen te vergroten. Hierbij kun je gebruik maken van hetzelfde concept dat we tegenkwamen bij schaalvergroting van reactoren, maar dan andersom. Bij het verkleinen van de gasbellen die door het mengsel stromen wordt het oppervlak van die belletjes in verhouding tot hun gezamenlijke inhoud beduidend meer. Dit is precies wat bereikt wordt door de roersnelheid te verhogen, dus de invloed daarvan zal zeer groot zijn.
4. Rekenwerk -- Pagina 14
4. Rekenwerk Om uit onze metingen bruikbare conclusies te kunnen trekken is er eerst een aantal rekenstappen nodig. Om maar een voorbeeld te noemen: alle metingen zijn van toepassing op het totale volume van 500mL + de hoeveelheid toegevoegd natronloog. Om hier iets mee te kunnen moeten die resultaten eerst omgerekend worden naar liters.
4.1 Gemeten en gezocht Allereerst definieer ik exact welk getal we zoeken. Dit is de verhouding tussen de hoeveelheid zuurstof die met glucose gereageerd heeft en de hoeveelheid zuurstof in de grenslaag tussen de gasvormige en “vloeibare” (in water opgeloste) fase. Dit getal noem ik voortaan koverall, aangezien dit de geobserveerde reactiesnelheidsconstante is over het gehele proces. Het enige gegeven dat we feitelijk meten is de hoeveelheid natronloog die tijdens de meting door de titrator in de reactiepot is gedruppeld. Dit levert al een aantal belangrijke gegevens. Ten eerste levert dit ons het totale volume van het reactiemengsel. Dit is belangrijk, aangezien we met het aantal mol weggereageerd NaOH slechts de absolute reactiesnelheid hebben. Als het volume niet zou veranderen zou dit niet uitmaken, maar dat volume verandert nu eenmaal. Ten tweede levert dit de beginwaarde voor de serie berekeningen. Uit de hoeveelheid weggereageerd NaOH kunnen we immers de hoeveelheid weggereageerd zuurstof berekenen, en dat is bijna het getal dat we zoeken. Bij iedere meting die we uitvoerden werden alle gegevens als eerste doorgespeeld naar een computer. Een handig computerprogramma zette dit dan om naar gegevens die ook voor ons leesbaar zijn, in plaats van de voltages van de sensoren. Dit zag er dan als volgt uit: tijd [s]
NaOH [mmol] 60 0.45 65 0.57 70 0.76 75 0.63 80 0.97 85 0.85 90 1.21
Bij iedere meting werd een lijst gegenereerd van de verstreken tijd sinds de eerste meting en het aantal millimol NaOH dat tot dan toe in de reactor was gedruppeld. Om de reactiesnelheid te berekenen moet men dan de hoeveelheid NaOH die tijdens de meting is verbruikt uitzetten tegen de verstreken tijd. De helling van deze lijn is dan gelijk aan het aantal millimol dat (gemiddeld) per seconde is verbruikt. De reactiesnelheid in mmol/s van zuurstof (R O2) is de snelheid van het natronloog, gedeeld door 2. Omdat we met gemiddelden werken was het belangrijk dat we de metingen niet te kort maakten. We probeerden om de lengte op ongeveer 2 á 3 minuten te houden. Omdat we op zoek zijn naar de volumetrische reactiesnelheid (oftewel de concentratieverandering) wordt dit getal door het huidige volume van het reactiemengsel gedeeld. Dit levert de reactiesnelheid in mmol/Ls, Rv O2. Het volgende getal dat we nodig hebben is de concentratie O 2 in de grenslaag, C02, i. In de grenslaag
4.1 Gemeten en gezocht -- Pagina 15 zit een gelijke concentratie als in de uitgaande gasstroom. Omdat we weten hoeveel zuurstof er wegreageert en hoeveel erin is gegaan kunnen we dit vrij eenvoudig berekenen. Hiervoor beginnen we bij de molfractie van zuurstof (y O2) in de uitgaande gasstroom. Die is gelijk aan: O2 uit N 2 uit O 2 uit Of, meer gedetailleerd: O 2 − O 2 verbruikt N 2 O2 − O2 verbruikt Dit is eigenlijk niet meer dan een simpele procentsom. Dan komt nu een nieuwe grootheid ter sprake: het Henry getal, H: C O2 , i =
p H
Hierin is p de partiaaldruk van in dit geval zuurstof. Omdat de druk 1 bar is komt de partiaaldruk overeen met de molfractie. Dit volgt uit de wet van Avogadro, die zegt dat gelijke hoeveelheden gas gelijke volumes innemen. Het Henry getal varieert met de temperatuur: T (C) H 30
0.84
40
0.96
50
1.05
60
1.12
Bij 30C is de zuurstofconcentratie in de grenslaag dus gelijk aan p maal 0.84. Onze gezochte uitkomst koverall wordt dan Rv O2 / C02, i.
4.2 Alles op een rijtje k overall =
Rv O 2 C O2 ,i
C O2 , i =
p O2 , g H
pO 2 , g = p totaal ⋅
O 2 − O2 verbruikt N 2 O2 − O 2 verbruikt
waarbij O2 verbruikt gelijk is aan de absolute reactiesnelheid R O2. Rv O 2 =
R O2 V
R O2 =
R NaOH 2
5. Resultaten en Conclusies -- Pagina 16
5. Resultaten en Conclusies Een uitgebreide uitdraai van alle resultaten is te vinden in bijlage 2. Voor koverall is in de grafieken “Kobs”, de geobserveerde reactiesnelheidsconstante, gebruikt.
5.1 Temperatuur
Kobs [1/s]
Kobs - Toerental bij 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
50 C 40 C 30 C 60 C
0
500
1000
1500
2000
N [RPM]
De temperatuur is bij deze reactie niet de limiterende factor en heeft dus vrijwel geen effect bij de gebruikte toerentallen. Dit kun je zien aan de waarden die vrijwel gelijk zijn. Want: de roersnelheid is hier nog de limiterende factor
5.2 Zuurtegraad:
Kobs
RPM tegen Kobs bij verschillende pH 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
ph 8 ph 9 ph 10
0
500
1000
1500
2000
RPM
Deze gegevens komen uit het paralelle onderzoek van het andere team. In plaats van de zuurstofconcentratie hebben zij gekeken naar een verandering van de pH. Net als de temperatuur is de zuurtegraad bij lage toerentallen niet de limiterende factor. Bij hogere toerentallen heeft de zuurtegraad echter wel invloed op de reactiesnelheid. De gevonden waarden staan daar verder uit elkaar.
5.2 Zuurtegraad: -- Pagina 17 Want: In de oplossing is voldoende OH- aanwezig om bij een lage roersnelheid het gevormde zuur meteen te neutraliseren. Bij een hogere roersnelheid is dit door de hogere reactiesnelheid niet meer mogelijk en wordt de zuurtegraad de limiterende factor.
5.3 Katalysatorconcentratie
Kobs
Kobs tegen RPM bij verschillende Wkat 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
Wkat 1g Wkat 1.5g Wkat 2g Wkat 2.5g
0
500
1000
1500
2000
RPM
Het lijkt erop dat net als bij de zuurtegraad de Katalysatorconcentratie niet van invloed is bij lagere roersnelheden. Want: Zelfde reden als bij zuurtegraad; bij een hoge roersnelheid gaat de reactie zo snel dat er niet voldoende katalysator aanwezig is om de “reactiebehoefte” te bevredigen.
Bijlage 1: Flowchart reactor -- Pagina 18
Bijlage 1: Flowchart reactor
Bijlage 2: Meetresultaten -- Pagina 19
Bijlage 2: Meetresultaten o
SET 1:
C
-
rpm
mmol/s
mmol/s
%
ml
L
mmol/s
mmolL-1s -1
(molfractie)
bar
mmol/L
1/s
1 30
9
1000
0.32
0.07
10
0.42
0.5004
0.012
0.025
0.16
0.16
0.19
0.13
2
30
9
1250
0.32
0.07
10
1.81
0.5018
0.024
0.047
0.13
0.13
0.16
0.30
3
30
9
750
0.32
0.07
10
3.05
0.5031
0.013
0.025
0.16
0.16
0.19
0.14
4
30
9
1500
0.32
0.07
10
4.74
0.5047
0.029
0.057
0.12
0.12
0.14
0.41
5
30
9
1000
0.32
0.07
10
6.7
0.5067
0.015
0.029
0.15
0.15
0.18
0.16
6
30
9
500
0.32
0.07
10
7.5
0.5075
0.003
0.006
0.18
0.18
0.21
0.03
SET2:
50
9
1000
0.3
0.07
10
8.8
0.5088
0.016
0.031
0.15
0.15
0.14
0.22
2
1
50
9
1250
0.3
0.07
10
10.59
0.5106
0.025
0.049
0.12
0.12
0.12
0.41
3
50
9
750
0.3
0.07
10
12.18
0.5122
0.014
0.027
0.15
0.15
0.14
0.18
4
50
9
1500
0.3
0.07
10
14.21
0.5142
0.031
0.061
0.11
0.11
0.1
0.60
5
50
9
1000
0.3
0.07
10
16.17
0.5162
0.016
0.032
0.15
0.15
0.14
0.23
6
50
9
500
0.3
0.07
10
16.95
0.5169
0.004
0.007
0.18
0.18
0.17
0.04
SET3:
60
9
1000
0.29
0.06
10
20.04
0.5200
0.016
0.030
0.15
0.15
0.13
0.23
2
1
60
9
1250
0.29
0.06
10
21.62
0.5216
0.025
0.048
0.12
0.12
0.11
0.44
3
60
9
750
0.29
0.06
10
23.1
0.5231
0.013
0.025
0.15
0.15
0.14
0.18
4
60
9
1500
0.29
0.06
10
24.79
0.5248
0.024
0.046
0.12
0.12
0.11
0.41 titrator uitgevallen
5
60
9
1000
0.29
0.06
10
26.74
0.5267
0.017
0.031
0.14
0.14
0.13
0.24
6
60
9
500
0.29
0.06
10
27.52
0.5275
0.003
0.006
0.18
0.18
0.16
0.04
SET4:
40
9
1000
0.31
0.07
10
0.43
0.5004
0.014
0.028
0.15
0.15
0.16
0.18
2
1
40
9
1250
0.31
0.07
10
2.33
0.5023
0.026
0.051
0.12
0.12
0.13
0.40
3
40
9
750
0.31
0.07
10
4.4
0.5044
0.014
0.029
0.15
0.15
0.16
0.18
4
40
9
1500
0.31
0.07
10
6.84
0.5068
0.031
0.062
0.11
0.11
0.11
0.54
5
40
9
1000
0.31
0.07
10
9.16
0.5092
0.016
0.031
0.15
0.15
0.15
0.20
6
40
9
500
0.31
0.07
10
10.17
0.5102
0.003
0.006
0.18
0.18
0.18
0.03
SET5:
50
9
1000
0.3
0.01
1
0.07
0.5001
0.002
0.003
0.02
0.02
0.02
0.19
2
1
50
9
1250
0.3
0.01
1
0.28
0.5003
0.003
0.005
0.01
0.01
0.01
0.43
3
50
9
750
0.3
0.01
1
0.48
0.5005
0.001
0.003
0.02
0.02
0.02
0.17
4
50
9
1500
0.3
0.01
1
0.66
0.5007
0.003
0.006
0.01
0.01
0.01
0.49
5
50
9
1000
0.3
0.01
1
0.88
0.5009
0.002
0.004
0.02
0.02
0.01
0.26
6
50
9
500
0.3
0.01
1
0.97
0.5010
0.001
0.002
0.02
0.02
0.02
0.09
SET6:
50
9
1000
0.3
0.03
5
1.29
0.5013
0.008
0.017
0.08
0.08
0.07
0.23
2
1
50
9
1250
0.3
0.03
5
2.29
0.5023
0.014
0.028
0.06
0.06
0.06
0.49
3
50
9
750
0.3
0.03
5
3.29
0.5033
0.008
0.015
0.08
0.08
0.08
0.20
4
50
9
1500
0.3
0.03
5
4.45
0.5044
0.018
0.035
0.05
0.05
0.05
0.72
5
50
9
1000
0.3
0.03
5
5.65
0.5056
0.010
0.019
0.07
0.07
0.07
0.27
6
50
9
500
0.3
0.03
5
6.26
0.5063
0.002
0.004
0.1
0.1
0.09
0.04
-- Pagina 20
instellen meting
T o
SET7:
1
C
meten
berekenen
pH
N
F N2
F O2
O2,L
V NaOH
V totaal
R O2
-
rpm
mmol/s
mmol/s
%
ml
L
mmol/s
Rv O2 mmolL s
-1 -1
yO2 (molfractie)
pO2,G
C O2, i
bar
mmol/L
k ov erall opmerkingen 1/s
50
9
1000
0.3
0.1
15
7.46
0.5075
0.026
0.051
0.2
0.2
0.19
0.27
2
50
9
1250
0.3
0.1
15
10.21
0.5102
0.038
0.074
0.18
0.18
0.17
0.44
3
50
9
750
0.3
0.1
15
12.76
0.5128
0.019
0.037
0.22
0.22
0.2
0.18
4
50
9
1500
0.3
0.1
15
16.41
0.5164
0.046
0.088
0.16
0.16
0.15
0.59
5
50
9
1000
0.3
0.1
15
19.8
0.5198
0.027
0.051
0.2
0.2
0.19
0.27
6
50
9
500
0.3
0.1
15
21.53
0.5215
0.004
0.007
0.25
0.25
0.23
0.03
SET8:
50
9
1000
0.3
0.14
20
11.78
0.5118
0.028
0.056
0.27
0.27
0.26
0.22
2
1
50
9
1250
0.3
0.14
20
15.65
0.5156
0.045
0.088
0.24
0.24
0.23
0.39
3
50
9
750
0.3
0.14
20
19.49
0.5195
0.024
0.047
0.28
0.28
0.26
0.18
4
50
9
1500
0.3
0.14
20
28.92
0.5289
0.054
0.102
0.22
0.22
0.21
0.48
5
50
9
1000
0.3
0.14
20
32.37
0.5324
0.032
0.061
0.26
0.26
0.25
0.24
6
50
9
500
0.3
0.14
20
33.74
0.5337
0.005
0.009
0.31
0.31
0.3
0.03
SET9:
1
50
9
1000
0.3
0.07
10
1.42
0.5014
0.019
0.037
0.14
0.14
0.13
0.28
kat 1.5
2
50
9
1250
0.3
0.07
10
3.75
0.5038
0.030
0.059
0.11
0.11
0.11
0.55
3
50
9
750
0.3
0.07
10
5.64
0.5056
0.015
0.030
0.15
0.15
0.14
0.21
4
50
9
1500
0.3
0.07
10
8.16
0.5082
0.037
0.073
0.09
0.09
0.09
0.83
5
50
9
1000
0.3
0.07
10
10.75
0.5107
0.020
0.039
0.14
0.14
0.13
0.30
6
50
9
500
0.3
0.07
10
12.2
0.5122
0.003
0.006
0.18
0.18
0.17
0.04
1 50
SET10:
9
1000
0.3
0.07
10
13.53
0.5135
0.020
0.039
0.14
0.14
0.13
0.30
50
9
1250
0.3
0.07
10
15.57
0.5156
0.030
0.059
0.11
0.11
0.1
0.56
3
50
9
750
0.3
0.07
10
17.32
0.5173
0.014
0.028
0.15
0.15
0.14
0.20
4
50
9
1500
0.3
0.07
10
19.63
0.5196
0.037
0.072
0.09
0.09
0.09
0.83
5
50
9
1000
0.3
0.07
10
22.5
0.5225
0.022
0.042
0.13
0.13
0.13
0.34
6
50
9
500
0.3
0.07
10
23.85
0.5239
0.003
0.005
0.18
0.18
0.17
0.03
1 50
0.23 titrator uitgevallen
kat 2.0
2
SET11:
9
1000
0.3
0.07
10
24.8
0.5248
0.016
0.031
0.15
0.15
0.14
50
9
1250
0.3
0.07
10
27.32
0.5273
0.031
0.059
0.11
0.11
0.1
0.57
3
50
9
750
0.3
0.07
10
29.6
0.5296
0.014
0.026
0.15
0.15
0.14
0.18
4
50
9
1500
0.3
0.07
10
32.67
0.5327
0.037
0.069
0.09
0.09
0.09
0.79
5
50
9
1000
0.3
0.07
10
35.93
0.5359
0.023
0.042
0.13
0.13
0.12
0.34
6
50
9
500
0.3
0.07
10
37.36
0.5374
0.002
0.004
0.18
0.18
0.17
0.02
1 50
kat 2.5
2
SET12:
9
1000
0.3
0.07
10
0.72
0.5007
0.018
0.036
0.14
0.14
0.13
0.27
50
9
1250
0.3
0.07
10
3
0.5030
0.030
0.060
0.11
0.11
0.1
0.57
3
50
9
750
0.3
0.07
10
4.74
0.5047
0.014
0.028
0.15
0.15
0.14
0.20
4
50
9
1500
0.3
0.07
10
6.92
0.5069
0.038
0.075
0.09
0.09
0.08
0.90
5
50
9
1000
0.3
0.07
10
9.19
0.5092
0.020
0.039
0.14
0.14
0.13
0.30
6
50
9
500
0.3
0.07
10
10.23
0.5102
0.003
0.006
0.18
0.18
0.17
0.03
kat 3.0
2
Bibliografie -- Pagina 21
Bibliografie “Deel I Chemische reactoren, Theorie (versie 1.3)” door Ben Bovendeerd, 2006 “Deel II Chemische reactoren, Practicum handleiding (versie 1.3)” door Ben Bovendeerd, 2006 “Chemie VWO Bovenbouw, Scheikunde 1 deel 2” Reaction rate. (2006, December 21). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Opgevraagd op 23 december 2006, van http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reaction_rate&oldid=95767263 Rate of reaction, IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, http://goldbook.iupac.org/R05156.html “Physical Chemistry”, Peter Atkins
Logboek -- Pagina 22
Logboek Datum
Activiteit
Tijdsduur
1 t/m 11-08-06
Voorbereiding aan de hand van stencils die ik 5 uur ontvangen had van mijn begeleider.
14 t/m 18-08-06
VWO Werkweek aan de TU/e
30 uur
2 t/m 6-01-07
Spullen terugzoeken, herhaling van de benodigde kennis
4 uur
6-01-07
Begonnen met schrijven, hoofdstuk 1 deels af 3 uur
22 t/m 24-01-07
Hoofstuk 1 en 2 afgeschreven, afbeeldingen gemaakt en gescand voor hoofdstuk 1
10 uur
27 t/m 30-01-07
Hoofdstukken 3 t/m 5 geschreven
12 uur
