SVEUČILIŠTE U SPLITU KEMIJSKO-TEHNOLOŠKI FAKULTET Modeliranje aktivnosti katalizatora matričnom algebrom DIPLOMSKI RAD Josip Radić Matični broj: 44 Split, lipanj 16.
SVEUČILIŠTE U SPLITU KEMIJSKO-TEHNOLOŠKI FAKULTET Diplomski studij kemije Organska kemija i biokemija Modeliranje aktivnosti katalizatora matričnom algebrom DIPLOMSKI RAD Josip Radić Matični broj: 44 Split, lipanj 16.
UNIVERSITY OF SPLIT FACULTY OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY Graduate study of chemistry Organic chemistry and biochemistry Modeling activity of the catalyst using matrix algebra DIPLOMA THESIS Josip Radić Parent number: 44 Split, June 16.
TEMELJNA DOKUMENTACIJSKA KARTICA DIPLOMSKI RAD Sveučilište u Splitu Kemijsko-tehnološki fakultet u Splitu Diplomski studij kemije Znanstveno područje: Znanstveno polje: Tema rada Mentor: Tehničke znanosti Kemijsko inženjerstvo je prihvaćena na 4. sjednici Fakultetskog vijeća Kemijsko - tehnološkog fakulteta prof. dr.sc. Davor Rušić MODELIRANJE AKTIVNOSTI KATALIZATORA MATRIČNOM ALGEBROM Josip Radić, broj indeksa: 1784 Saţetak: Za uvid fenomena katalitičkog sustava nužno je istražiti sustav i sve njegove faze. Rezultati provedenih eksperimentalnih istraživanja služe za verifikaciju modela za svaku pojedinu fazu. Nužno je doći do podataka o brzini procesa iz kojih se izračunava trenutna aktivnost katalizatora. Primijenjen je nelinearni regresijski postupak obrade eksperimentalnih podataka za razvoj teorijske funkcije brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu. Ovim radom dan je doprinos matematičkom modeliranju u dijelu koji još nije obrađen u literaturi, a radi se o uvođenju matrične algebre za opis stanja katalitičkog sustava. Prvo se je istraživalo nestacionarno stanje. S vremenom katalitički je sustav dalje prešao u stacionarno stanje. Nakon toga sustav se je ponovno dovodio do nestacionarnog stanja, a ova posljednja promjena stanja je bila uzrokovana deaktivacijom katalizatora uvođenjem tiofena. Eksperimentalni podaci obrađeni su korištenjem matematičkog alata Mathcad. U ovom radu nestacionarno stanje opisano je bilančnom nelinearnom parcijalnom diferencijalnom jednadžbom. Diferencijalni koeficijent u vremenu trajanja procesa opada i tako sve dok se ne izjednači s nulom. Tada parcijalna diferencijalna jednadžba prelazi u običnu bilančnu diferencijalnu jednadžbu za stacionarno stanje katalitičkog sustava. Uvođenjem tiofena u sustav konačni oblik jednadžbe glasi: YB Y B m 1 at Y B X X X Diferencijalne jednadžbe se rješavaju metodom ortogonalne kolokacije. Ključne riječi: nelinearni regresijski postupak, katalitička stanja sustava, aktivnost katalizatora, matrična algebra u kemiji Rad sadrţi: 57 stranica, slika, 1 tablica, 14 literaturnih referenci Jezik izvornika: hrvatski Sastav Povjerenstva za obranu: 1. doc. dr. sc. Mila Radan predsjednik. izv. prof. dr. sc. Sandra Svilović član 3. prof. dr. sc. Davor Rušić član-mentor Datum obrane: 7. lipnja 16. Rad je u tiskanom i elektroničkom (pdf format) obliku pohranjen u knjižnici Kemijsko-tehnološkog fakulteta Split, Ruđera Boškovića 35.
BASIC DOCUMENTATION CARD DIPLOMA THESIS University of Split Faculty of Chemistry and Technology Split Graduate study of chemistry Scientific area: Scientific field: Thesis subject Mentor: Technological Sciences Chemical Engineering was approved by Faculty Council of Faculty of Chemistry and Technology, session no. 4. PhD Davor Rušić, full prof. MODELING ACTIVITY OF THE CATALYST USING MATRIX ALGEBRA Josip Radić, index number: 1784 Abstract: For insight into the phenomenon of the catalytic system is necessary to examine the system and all its phases. The results of experimental studies are used to verify the model for each phase. It is necessary to get to the data on the rate of the process from which it calculates the current activity of the catalyst. Nonlinear regression analysis was applied for the development of theoretical function of rate of chemical reaction versus time. This thesis presents a contribution for mathematical modeling in the part that has not been processed in the literature. In fact, the phase of the catalytic system has been described with matrix algebra. Nonstationary phase was observed first. After that, the system became stationary and finally non-stationary again. This, last state change is caused by thiophene - deactivating substance. Experimentally data are processed using mathematical tool Mathcad. Non-stationary state is described by means of a nonlinear partial differential equation. Differential quotient has decreased to zero, when ordinary differential equation described stationary state. Introduction of thiophene in the system, equation takes the next form: YB Y B m 1 at Y B X X X Differential equations are solved by the method of orthogonal collocation. Keywords: nonlinear regression analysis, phases of catalyst system, activity of the catalyst, matrix algebra in chemistry Thesis contains: 57 pages, figures, 1 tables, 14 references Original in: Croatian Defence committee: 1. PhD Mila Radan, assistant prof. chair person. PhD Sandra Svilović, associate prof. member 3. PhD Davor Rušić, full prof. supervisor Defence date: 7 June 16 Printed and electronic (pdf format) version of thesis is deposed in Library of Faculty of Chemistry and Technology Split, Ruđera Boškovića 35.
Rad je izrađen u Zavodu za kemijsko inženjerstvo, pod mentorstvom prof. dr. sc. Davora Rušića, od mjeseca prosinca 15. do mjeseca svibnja 16. godine.
Izražavam svoju zahvalnost i poštovanje mentoru prof. dr. sc. Davoru Rušiću na stručnoj, nesebičnoj i srdačnoj pomoći oko izrade diplomskog rada kao i na ugodnoj i opuštenoj atmosferi prilikom konzultacija odnosno naših iscrpnih i konstruktivnih rasprava vazanih za problematiku ovoga rada.
Ovaj diplomski rad posvećujem svojoj majci Meri koju je najviše od svih opterećivao zastoj u mom obrazovanju i napretku, a čije crte lica konačno opet vedro zaigraju kada se priča o mojim učeničkim i studentskim uspjesima te dosadašnjim životnim postignućima. Teška su bila vremena dok sam se mučio s razmišljanjima kojom stazom života krenuti, a moj korak tada nije bio tako siguran kao što je danas. Međutim, sve je tada bilo puno lakše uz moju suprugu Maju, mom sigurnom i čvrstom osloncu, koja je odmah od prve dala podršku vjerujući da ispravno postupam kada sam definitivno prelomio i odlučio zakotrljati svoju studentsku priču ispočetka. Hvala mojoj punici Katici i puncu Nikici koji su pružili ruku pomoći, vodeći računa da imam osjećaj sigurnosti i stabilnosti kako bih se mogao mirno posvetiti studentskim obvezama. Također, hvala svima onima koji su mi pomogli kritikama, savjetima i dobrim namjerama u godinama traženja sebe i postavljanja životnih ciljeva i prioriteta. Eto, studij sam doveo kraju, za neke jako sporo, za neke munjevito, ovisno kako tko gleda. Međutim, to možda uopće nije ni vrijedno spomena u odnosu na to koliko sam ja sveukupno gledajući ispunjen i sretan svojim životom, a ponosan na postupke i svoja dosadašnja životna razmišljanja i djela. Budućnost zasada nudi neizvjesnost, ali vjera u efikasno izvršavanje obveza, snaga za uspješno rješavanje uvijek nadolazećih problema, želja za doprinos društvu u cjelini i nada da se svakodnevno budim kao bolji i plemenitiji čovjek, je ono čemu stremim i što otvara nove, još neispisane stranice moga života
ZADATAK DIPLOMSKOG RADA Zadatak ovog diplomskog rada je razviti program u matematičkom alatu Mathcad koji uspješno rješava neke od problema u kemijskom inženjerstvu te nedvosmisleno pokazati da se Mathcad, pored toga što je alat, može koristiti i kao programski jezik. Slijedom navedenog potrebno je: obraditi eksperimentalne podatke koristeći Mathcad kao alat, primijeniti nelinearni regresijski postupak, osmisliti i primijeniti alat za razvoj matrične algebre, dokazati neke od mogućnosti alata izvršenim modeliranjem i obradom podataka, postaviti bilančne diferencijalne jednadžbe za nestacionarno, stacionarno i nestacionarno deaktivacijsko stanje katalitičkog sustava, u fazi prijelaza iz parcijalne diferencijalne jednadžbe u običnu nastaviti rješavanje iste standardnom četverokoračnom metodom Runge Kutta, izvršiti grafičku obradu svih dobivenih rezultata.
SAŢETAK Za uvid fenomena katalitičkog sustava nužno je istražiti sustav i sve njegove faze. Dakle, potrebno je provesti eksperimentalna istraživanja čiji rezultati služe za verifikaciju modela za svaku pojedinu fazu. Nužno je doći do podataka o brzini procesa iz kojih se izračunava trenutna aktivnost katalizatora. Ovi podatci ovise o eksperimentalnom sustavu odnosno o korištenom eksperimentalnom reaktoru. Za ovaj diplomski rad korišteni su rezultati eksperimentalnih mjerenja dobiveni u laboratoriju Zavoda za reakcijsko inženjerstvo i katalizu Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije u Zagrebu. Primijenjen je nelinearni regresijski postupak obrade eksperimentalnih podataka za razvoj teorijske funkcije brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu. Ovim radom dan je doprinos matematičkom modeliranju u dijelu koji još nije obrađen u literaturi, a radi se o uvođenju matrične algebre za opis stanja katalitičkog sustava. Prije svega bilo je potrebno osmisliti eksperimentalni sustav tako da se prvo istraživalo nestacionarno stanje. S vremenom katalitički je sustav dalje prešao u stacionarno stanje. Nakon toga sustav se ponovno dovodio do nestacionarnog stanja, a ova posljednja promjena stanja je bila uzrokovana deaktivacijom katalizatora uvođenjem tiofena. Eksperimentalni podaci obrađeni su korištenjem matematičkog alata Mathcad. U ovom radu nestacionarno stanje opisano je bilančnom nelinearnom parcijalnom diferencijalnom jednadžbom oblika: YB YB 1 YB X X X Y m B Diferencijalni koeficijent Y B u vremenu trajanja procesa opada. U trenutku kada je
ispunjen uvjet Y B parcijalna diferencijalna jednadžba prelazi u običnu diferencijalnu jednadžbu oblika: m B B B Y X Y X X Y 1 Dobivena je bilančna diferencijalna jednadžba za stacionarno stanje katalitičkog sustava. Uvođenjem u eksperimentalni sustav tvari koja deaktivira katalizator tj. mijenja njegovu aktivnost, gornja jednadžba poprima izraz: m B B B Y t a X Y X X Y 1 Diferencijalne jednadžbe se rješavaju metodom ortogonalne kolokacije. U ovom radu korištena je metoda s jednom kolokacijskom točkom. Za rješavanje parcijalne diferencijalne jednadžbe korištena je standardna četverokoračna Runge Kutta metoda. Ključne riječi: nelinearni regresijski postupak, katalitička stanja sustava, aktivnost katalizatora, matrična algebra u kemiji
SUMMARY For insight into the phenomenon of the catalytic system is necessary to examine the system and all its phases. Therefore, it is necessary to conduct experimental studies and results of those studies are used to verify the model for each phase. It is necessary to obtain the data on the rate of the process and calculate the current activity of the catalyst. These data depend on the experimental system and experimental reactor used. For this thesis, the results of experimental measurements obtained in the laboratory of the Department of Reaction Engineering and Catalysis at the Faculty of Chemical Engineering and Technology in Zagreb are used. Nonlinear regression analysis was applied on experimental data in order to develop the theoretical function of rate of chemical reaction versus time. This thesis presents a contribution for mathematical modeling in the part that has not been processed in the literature. In fact, the state of the catalytic system has been described with matrix algebra. First of all it was necessary to design an experimental system. In this study the first step was study of non-stationary state. After that, the system became stationary and finally non-stationary again. This, last state change is caused by thiophene - deactivating substance. Experimentally data are analyzed using mathematical tool Mathcad. In this thesis, non-stationary state is described by means of nonlinear partial differential equation of form: YB YB 1 YB X X X Y m B The differential quotient Y B decreases through duration of the process. At a time when
the condition Y B, partial differential equation becomes an ordinary differential equation: m B B B Y X Y X X Y 1 Differential equation was obtained for the stationary state of the catalytic system. Introduction of substance that deactivates the catalyst in the experimental system, the above equation takes the form: m B B B Y t a X Y X X Y 1 The equations are solved by the method of orthogonal collocation. In this thesis the method with a single collocation point was used and for solving partial differential equation standard four-stage Runge - Kutta method was used. Keywords: nonlinear regression analysis, phases of catalyst system, activity of the catalyst, matrix algebra in chemistry
SADRŢAJ: UVOD... 1 1. OPĆI DIO... 4 1.1 Deaktivacija katalizatora... 4 1.1.1 Vrste deaktivacije katalizatora... 4 1.1. Brzina deaktivacije katalizatora... 4 1.1.3 Način djelovanja otrova na površinu katalizatora... 5 1.1.4 Utjecaj difuzije na deaktivaciju katalizatora... 5 1. Nelinearna parcijalna diferencijalna jednadžba za opis nestacionarnog stanja... 6 1.3 Matrična algebra za opis brzine reakcije hidriranja benzena... 8. EKSPERIMENTALNI DIO... 1.1 Opis aparature i izvedba eksperimenta... 1. Rezultati... 1 3. PROGRAMOTEKA... 17 3.1 Primjena Mathcada pri unosu podataka, njihove obrade i grafičkoj prezentaciji rezultata... 17 3.1.1 Istraživanje aktivnosti katalizatora pri T = 38 K... 17 3.1. Istraživanje aktivnosti katalizatora pri T = 43 K... 3.1.3 Istraživanje aktivnosti katalizatora pri T = 47 K... 3 3.1.4 Istraživanje aktivnosti katalizatora pri T = 447 K... 6 3.1.5 Istraživanje aktivnosti katalizatora pri T = 473 K... 9 3. Primjena matrične algebre u računanju i prezentaciji rezultata... 3 3..1 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 38 K... 3 3.. Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 43 K... 34 3..3 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 47 K... 35 3..4 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 447 K... 36 3..5 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 473 K... 37 3.3 Određivanje koncentracije benzena u kolokacijskim točkama pri T = 38 K... 38 3.4 Stacionarno stanje katalitičkog sustava pri T = 38 K... 43 3.5 Nestacionarno deaktivacijsko stanje katalitičkog sustava pri T = 38 K... 44 3.6 Profili benzena - nestacionarno deaktivacijsko stanje... 46 4. RASPRAVA... 5 5. ZAKLJUČAK... 53 6. LITERATURA... 54 7. POPIS SIMBOLA... 57
UVOD Katalizatori su neizostavni dio većine reaktora kemijske i petrokemijske industrije. Njihova funkcionalna svojstva ne utječu samo na odvijanje kemijske reakcije u reaktoru, već i na procese koji prethode i slijede samoj reakciji. Stoga je izvedba katalizatora i reaktora, u kojima će se kemijska reakcija odvijati, ključna za razvoj novih kao i za unaprjeđenje postojećih katalitičkih procesa. 1 Neke od važnijih uloga katalizatora su: ubrzavanje reakcije između tvari koje bi inače reagirale sporo, povećavanje nastajanja količine željenog, a smanjivanje nastajanja količine neželjenog produkta, omogućavanje bolje kontrole procesa i provedba procesa pri nižoj temperaturi i/ili tlaku uz uštedu energije. Katalitičke reakcije se obično klasificiraju prema odnosu agregatnog stanja reaktanta i katalizatora. Ako su reaktanti i katalizatori u istom stanju, plinovitom ili kapljevitom, govori se o homogenoj katalizi, a takvi katalizatori se nazivaju homogenim. U heterogenoj katalizi reaktanti i katalizator su različitog agregatnog stanja. U većini industrijski značajnih procesa katalizator je čvrsta faza, dok su reaktanti u kapljevitoj ili plinovitoj fazi (heterogeno - katalitička reakcija). Slika 1: Pojedinačne faze heterogeno - katalitičke reakcije u plinskoj fazi 1
Najjednostavniji slučaj heterogene katalitičke plinske reakcije na poroznom katalizatoru ilustriran je slikom 1 na kojoj su vidljive sve faze: 1. difuzija sudionika u reakciji (reaktanata) kroz granični sloj do površine katalizatora. difuzija reaktanata u pore 3. adsorpcija reaktanata na unutrašnju površinu pora 4. kemijska reakcija na površini katalizatora 5. desorpcija produkata s površine katalizatora 6. difuzija produkata iz pora 7. difuzija produkata od katalizatora kroz granični sloj u plinsku fazu. Utjecaj difuzije u graničnom sloju (faza 1) na brzinu reakcije može se potisnuti povećanjem brzine strujanja plina u reaktoru, tj. dovoljno brzim dovođenjem reakcijske smjese u dodir s površinom katalizatora. Ako odlučujući utjecaj ima difuzija u pore (faza ), što se događa kada je omjer vanjske površine i unutrašnje površine pora jako malen, tada se smanjivanjem veličine čestica katalizatora sužava difuzijski (granični) sloj te brzina reakcije raste (čestice katalizatora se smanjuju sve dok brzina ne prestane biti ovisna o difuziji kinetičko područje). S obzirom na zahtjeve koji se postavljaju za industrijske katalizatore (aktivnost, selektivnost, stabilnost, postojanost na otrove, reproducibilnost ponašanja itd.) postoje brojne eksperimentalne metode za njihovo testiranje. Međutim, u praksi postoji vrlo mali broj metoda koje se mogu smatrati standardnima i one se uglavnom odnose na određivanje sastava (fazna i kemijska analiza), mehaničkih značajki (tvrdoća, otpornost na habanje i sl.) te morfoloških značajki katalizatora (oblik, veličina i sl.). 3 Određivanje svojstava katalizatora, najsloženiji je korak u razvoju katalitičkog sustava. Za tu svrhu ispitivanja ne postoje standardizirani uređaji, već samo osnovni principi i metode pomoću kojih se dobiva niz podataka o: brzini kemijske reakcije (mjera za aktivnost katalizatora), selektivnosti katalizatora u ovisnosti o radnim uvjetima (temperaturi, tlaku, sastavu reakcijske smjese), stabilnosti katalizatora, otpornosti na trovanje,
mogućnosti regeneracije, deaktivaciji i dr. Deaktivacija odnosno vremensko opadanje aktivnosti katalizatora je jedna od najvažnijih varijabli u projektiranju odnosno radu industrijskih reaktora. Ovoj problematici posvećeno je mnogo pažnje u mnogim teorijskim 4,5,6 i eksperimentalnim 7,8,9 radovima. Od niza predloženih teorija posebno se naglašava jedna od najkorištenijih, a to je Levenspieleova 1,11, koja na vrlo efikasan način opisuje fenomen deaktivacije katalizatora tako da brzinu deaktivacijskog procesa određuje u odnosu na temperaturu, koncentraciju reaktanata, produkata ili otrova te na trenutno stanje katalizatora, odnosno njegovu (ne)slobodnu površinu pora. Iz toga se dalje postavljaju mogući modeli reakcija s deaktivacijom. Kao što je navedeno, odvijanje katalitičkog sustava može biti u kinetičkom i difuzijskom području pa neki od autora 6 istražuju svako područje zasebno. Prednost Levenspielove analize je to što objedinjuje i jedno i drugo područje. U ovom radu istražen je deaktivacijski proces uvođenjem matrične algebre i odabranog matematičkog alata na temelju eksperimentalnih saznanja pomoću kojih je istraženo: nestacionarno stanje katalitičkog sustava, uspostava stacionarnog stanja katalitičkog sustava, ponovno dovođenje katalitičkog sustava u nestacionarno stanje, uslijed simuliranja deaktivacijskog procesa ireverzibilnom adsorpcijom tiofena na katalizator. 3
1. OPĆI DIO 1.1 Deaktivacija katalizatora Deaktivacija katalizatora može se objasniti kao pojava koja smanjuje ukupnu brzinu katalitičke reakcije ispod vrijednosti koja bi se dobila uz rad sa čistim reaktantima i svježim katalizatorom 1 odnosno deaktivacija katalizatora predstavlja pojam gubitka njegove početne aktivnosti tijekom reakcijskog vremena. 1.1.1 Vrste deaktivacije katalizatora Opadanje aktivnosti katalizatora za vrijeme trajanja reakcije uzrokovanao je različitim procesima koji se mogu grupirati u: onečišćenje katalizatora 13,14 - nastaje uslijed fizičkog blokiranja aktivnih centara, trovanje katalizatora 15 - složen proces, a uzrok je kemisorpcija nečistoća koje se vezuju na aktivna mjesta te ih blokiraju. Uzrok trovanja mogu biti i sami reaktanti i produkti reakcije, sinteriranje ili fazna transformacija katalizatora 16,17 javlja se uslijed jako egzoterminih reakcija kod kojih oslobođena toplina uzrokuje strukturne promjene na površini katalizatora, gubitak katalizatora hlapljenjem 1 - nastaje pri visokim temperaturama kada može doći do gubitka katalitički aktivne tvari zbog njenog isparavanja sa nosača. 1.1. Brzina deaktivacije katalizatora Trenutna aktivnost katalizatora matematički se definira jednadžbom, gdje r B(t) predstavlja brzinu kemijske reakcije nakon nekog vremena, dok je r A(t=) početna brzina kemijske reakcije: a k r r B( t) B( t) (1) Ovaj izraz je od presudne važnosti kod definiranja brzine kemijske reakcije 4
praćene deaktivacijom katalizatora. Dakle, r a k postaje varijabla kinetičkog modela: s r a ( ) () B( t) B k t Kao što je već napomenuto u prethodno napisanom, katalitički sustav prolazi kroz više stanja. U usporedbi s trajanjem katalitičke reakcije na površini katalizatora, deaktivacija je najčešće polagan proces. Međutim, postoje i iznimke kada je deaktivacija vrlo brza. 1.1.3 Način djelovanja otrova na površinu katalizatora Način na koji će otrov napasti površinu katalizatora u prvom redu ovisi o kemijskom sastavu katalizatora odnosno o tome je li katalizator monofunkcionalan ili polifunkcionalan. Aktivni centri katalizatora mogu biti deaktivirani na više načina: selektivnim trovanjem kod kojeg se otrov u prvom redu kemisorbira na najaktivnijim centrima površine, antiselektivnim trovanjem kod kojeg se otrov kemisorbira na najmanje aktivnim centrima površine, neselektivnim trovanjem kod kojeg se otrov kemisorbira na svim katalitičkim aktivnim centrima. 1.1.4 Utjecaj difuzije na deaktivaciju katalizatora području. Trovanje katalizatora se može odvijati u kinetičkom odnosno difuzijskom U kinetičkom području difuzija nema značajnijeg utjecaja na brzinu glavne reakcije jer su zrna katalizatora vrlo mala tako da vrijednost brzine reakcije i aktivnosti katalizatora linearno opada s vremenom što ukazuje na jednoliko trovanje aktivnih centara. Kako su katalizatori najčešće porozne tvari, difuzijske karakteristike unutar čestica katalizatora će utjecati na raspodjelu otrova. Kod trovanja katalizatora u difuzijskom području prijenos otrova u unutrašnjost zrna utječe na ukupnu brzinu 5
deaktivacije i uvjetuje nelinearnu ovisnost brzine reakcije i aktivnosti o vremenu trovanja. Utjecaj difuzije razmatran je u brojnim radovima 5,18,19,. 1. Nelinearna parcijalna diferencijalna jednadţba za opis nestacionarnog stanja Rješenje nelinearne parcijalne diferencijalne jednadžbe YB YB 1 YB X X X Y m B (3) zadaje se u obliku aproksimacijskog polinoma Y( X ) 1 C(1 X ) (4) čijom se derivacijom dobije dy dx C X (5) d dx Y C (6) Suptitucijom prve i druge derivacije (jednadžbe 5 i 6) u nelinearnu parcijalnu diferencijalnu jednandžbu (jednadžba 3) dobije se: YB 1 C ( C X ) Y X m B (7) odnosno YB 4C Y m B (8) Iz aproksimacijskog polinoma dalje slijedi kolokacijska konstanta: 6
YB ( X1) 1 YB ( X1) 1 3 C Y ( X1) 1 B 1 X 1 1 3 (9) čijom se supstitucijom dobije: YB 3 4 B m Y ( X1) 1 Y B (1) odnosno YB 6 B m Y ( X1) 1 Y B (11) Dobivena je obična diferencijalna jednadžba koju je analitički moguće riješiti separacijom varijabli. 6 Y B YB ( X1) 1 Y m A (1) Analitičko rješenje moguće je samo za m = 1 i m = tj. za reakciju prvog i drugog reda. Međutim red reakcije hidriranja benzena u odnosu na reaktant benzen kreće se u intervalu < m < 1, pa je nužno prići numeričkim metodama rješavanja. U ovom radu za rješavanje obične diferencijalne jednadžbe primjenili smo četverokoračnu metodu Runge Kutta. Y 6 YB ( X1) 1 Y B m Polazeći od jednadžbe Interval nezavisne varijable je X, Početni uvjet je, Y 1, B B, njeno rješavanje ima slijed: X n, gdje je X, a X 1, Numerička vrijednost rješenja diferencijalne jednadžbe izračunava se po formuli: n 7
1 Y ( X1) B, i 1 Y ( X1) B, i ( k1 k k3 k4 ) (13) 6 gdje je k 1 ( i B, i h f X, Y( X1) ) (14) k k 3 h k1 h f ( X i, Y ( X1) B, i ) (15) h k h f ( X i, Y ( X1) B, i ) (16) k 4 ( i B, i k3 h f X h, Y( X1) ) (17) za i=, 1,,,n-1, a h je udaljenost između dviju susjednih točaka na osi x. 1.3 Matrična algebra za opis brzine reakcije hidriranja benzena Neprekidnim uvođenjem deaktivirajuće tvari u sustav, brzina kemijske reakcije opada s vremenom. Brzina reakcije se definira kao: r B = FA x B G K (18) Analizom gornje jednadžbe uočavaju se dvije konstante (FA, G K ) dok se varijabla x B mijenja. Matrica se može složiti na tri načina: 1.) Formira se zbroj dijagonalnih matrica, a svaka ima samo jednu vrijednost x, dok ostale vrijednosti iznose. Rezultanta će dati dijagonalnu matricu sa svim vrijednostima x. Umnožak skalara ( FA G K ) i dijagonalne matrice dati će dijagonalnu matricu sa numeričkim vrijednostima brzina za svaku pojedinu konverziju..) Formira se umnožak dijagonalnih matrica, a svaka ima samo jednu vrijednost x, dok ostale vrijednosti na dijagonali iznose 1. Rezultanta će dati dijagonalnu matricu sa svim vrijednostima x. Umnožak skalara ( FA G K ) i dijagonalne matrice dati će dijagonalnu matricu sa numeričkim vrijednostima brzina za svaku 8
pojedinu konverziju. 3.) Složi se dijagonalna matrica koja sadrži sve vrijednosti x. Umnoškom sa skalarom dobiti će se iste vrijednosti brzina kao i pod 1.), odnosno.). U ovom radu korišten je ovaj način, s tim da je uzeto 5 vrijednosti x, kako bi se ilustrirao postupak. Ovim načinom uvažen je osnovni princip programiranja koji uključuje unos i obradu podataka kao i izračun traženih vrijednosti kao elementarni algoritam koji vrijedi za sve programe. Drugi princip je mogućnost unosa podataka koristeći matrični vektor koji za elemente ima sve vrijednosti x. Rezultat se također dobiva u matričnoj formi. Usporedbom rezultata dobile bi se iste numeričke vrijednosti brzine kao i u gore navedenim postupcima. Teorijska funkcija brzine definirana je izrazom: r a t = r a t (19) Korištenjem matematičkog alata Mathcad odredi se konstanta r hidriranja benzena uz deaktivirajuću tvar tiofen pri svakoj temperaturi. Množenjem skalara (r ) sa dijagonalnom matricom u kojoj su elementi a t ϵ <, 1>, na vrlo praktičan način se određuje teorijska brzina u bilo kojem trenutku kemijske reakcije. 9
. EKSPERIMENTALNI DIO Literaturni podaci 1 koji su se koristili za testiranje razvijenog modela dobiveni su eksperimentima provedenim u laboratoriju Zavoda za kemijsko inženjerstvo i katalizu Fakulteta kemijskog inženjerstva i tehnologije u Zagrebu..1 Opis aparature i izvedba eksperimenta Kao katalizator je služio komercijalni Ni-Al O 3 -SiO, koji je sadržavao 18.3% nikla i tragove bakra. Katalizator je reduciran «in situ» u struji vodika ( 7 1 7 3 1 m s ), 4 sata na 743 K. Veličina zrna katalizatora iznosila je od promjera.71-.8 mm (praškasti) do oblika valjka dimenzija (5x5) mm. Benzen firme «Merc» p.a. upotrebljavan je bez prethodnog čišćenja. U ovom diplomskom radu korišteni su podaci dobiveni za katalizator oblika valjka (difuzijsko područje). Hidriranje benzena u plinskoj fazi provođeno je u izotermnom diferencijalnom reaktoru. Slika : Shema izotermnog diferencijalnog reaktora 1
Benzen se tijekom eksperimenta nalazio u zasićivaču. Zasićivač je bio uronjen u ultra termostat, čija je temperatura bila konstantna i iznosila 89.1 K. Na taj način je iz zasićivača izlazio benzen s parcijalnim tlakom od 8.33 kpa. Smanjenje parcijalnog tlaka benzena za jedan red veličine postignuto je uvođenjem vodika u izotermni diferencijalni reaktor mimo zasićivača (slika 3). Reakcijska smjesa je analizirana pomoću plinskog kromatografa (pye Unicom, punilo Carbovax, detektor plameno ionizacijski, plin nosilac dušik). Konverzija benzena određena je preko integralnih signala benzena (Pye Unicom integrator DP 88), a signal benzena čiji je parcijalni tlak iznosio 8.33 kpa, je služio kao standard. Slika 3: Shema aparature za hidriranje benzena u plinskoj fazi 11
. Rezultati Dobiveni eksperimentalni podatci i rezultati proračuna prikazani su tablicama. Tablica 1: Ispitivanje utjecaja otrova (tiofena) na aktivnost katalizatora pri T = 38 K p B = 8.1 1 Pa p vodik = 9.91 1 4 Pa p T = 3.3 1 Pa d = (5x5) mm v = 8.33 1-7 m 3 s -1 Q =.74 G K = 11.81 1-5 kg t[min] x B c T 1 5 r B a Q.1319-6.4771 1-7 1.1.157 7.68 6.1441 1-7.953.156 5.11571 8.43 5.6558 1-7.877.55 1.18 9.549 4.97 1-7.764.35 14.9144 1.397 4.4695 1-7.693.485 19.8334 1.93 4.736 1-7.63.555 4.7191 11.713 3.5149 1-7.545.57 9.6418 1.61 3.1371 1-7.487.61 41.4497 1.543.1981 1-7.341.655 58.355 13.137 1.591 1-7.47.687 65.66 1.887 1.31 1-7..7 77.1768 13.167 8.6418 1-8.134.715 91.1188 13.565 5.868 1-8.9.73 17.579 13.371.831 1-8.44.734 16.341 13.413 1.6668 1-8.6.74 135.18 13.314 1.656 1-8.17.745 138.61 13.174.9816 1-8.5.75 14.17 13.53 8.394 1-1.1.755 1
Tablica : Ispitivanje utjecaja otrova (tiofena) na aktivnost katalizatora pri T = 43 K p B = 8.1 1 Pa p vodik = 9.91 1 4 Pa p T = 3.3 1 Pa d = (5x5) mm v = 8.33 1-7 m 3 s -1 Q =.8 G K = 17.65 1-5 kg t[min] x B c T 1 5 r B a Q.8-7.15 1-7 1.1.51 5.69 6.78 1-7.99.16 6.18511 6.553 6.54 1-7.838.11 1.135 9.763 4.334 1-7.6.46 39.979 11.118 3.6 1-7.444.61 66.7663 11.51.563 1-7.347.69 81.565 1.389 1.8479 1-7.56.745 11.476 1.75 1.3331 1-7.185.795 15.7 13.47 8.837 1-8.1.81 17.75 13.68 6.7865 1-8.94.811 181.1865 1.999 6.997 1-8.84.81.1435 13.65 4.6933 1-8.65.813 16.166 1.85 3.4865 1-8.53.814 4.69 13.657 1.9918 1-8.8.815 54.378 13.44 1.363 1-8.17.816 64.68 13.84 8.765 1-9.1.817 7.166 13.174 5.49 1-9.8.818 83.66 13.671.1586 1-9.3.819 13
Tablica 3: Ispitivanje utjecaja otrova (tiofena) na aktivnost katalizatora pri T = 47 K p B = 8.1 1 Pa p vodik = 9.91 1 4 Pa p T = 3.3 1 Pa d = (5x5) mm v = 8.33 1-7 m 3 s -1 Q = 1. G K = 13.8 1-5 kg t[min] x B c T 1 5 r B a Q.448-1.641 1-6 1.1.671 5.34 9.8547 1-7.951.45 5.571 6.71 8.9419 1-7.855.15 1.1739 8.91 7.56 1-7.71.4 14.158 8.731 6.868 1-7.653.35 1.1345 9.31 5.8465 1-7.554.5 3.1153 9.866 5.119 1-7.481.63 4.956 1.554 4.1556 1-7.47.75 56.7389 11.4 3.119 1-7.3.9 66.633 11.551.754 1-7.61.95 84.4977 1.495.1634 1-7.7 1. 16.3696 1.894 1.666 1-7.15 1.5 1.3971 13.54 1.761 1-7.141 1.1 136.366 13.419 1.85 1-7.95 1.15 153.181 13.337 7.887 1-8.47 1.16 186.875 13.594 3.835 1-8.34 1.17 195.61 13.51.6994 1-8.3 1.18 18.11 13.536 4.393 1-9.3 1.19 14
Tablica 4: Ispitivanje utjecaja otrova (tiofena) na aktivnost katalizatora pri T = 447 K p B = 8.1 1 Pa p vodik = 9.91 1 4 Pa p T = 3.3 1 Pa d = (5x5) mm v = 8.33 1-7 m 3 s -1 Q = 1.3 G K = 1.9 1-5 kg t[min] x B c T 1 5 r B a Q.869-1.3476 1-6 1.1.649 5.498 1.44 1-6.93.5 4.4431 6.639 1.1475 1-6.85.75 1.1893 8.33 8.893 1-7.66.15.1557 9.875 7.313 1-7.543.38 3.1881 1.13 6.5 1-7.449.555 4.1843 1.959 5.93 1-7.378.6 58.8357 11.656 3.953 1-7.91.755 7.73 1.3 3.383 1-7.51.8 8.63 1.48.96 1-7..845 9.555 11.79.5951 1-7.193.9 1.516 1.76.356 1-7.175.9 1.3941 13.3 1.8511 1-7.137 1.1 157.61 13.36 1.17 1-7.91 1.1 18.1876 13.48 8.8116 1-8.65 1.14.198 13.3 6.967 1-8.45 1.16.74 13.48 3.46 1-8.5 1.18 4.185 13.63 8.6894 1-9.6 1.19 15
Tablica 5: Ispitivanje utjecaja otrova (tiofena) na aktivnost katalizatora pri T = 473 K p B = 8.1 1 Pa p vodik = 9.91 1 4 Pa p T = 3.3 1 Pa d = (5x5) mm v = 8.33 1-7 m 3 s -1 Q = 1.45 G K = 1.81 1-5 kg t[min] x B c T 1 5 r B a Q 1.957-1.5791 1-6 1.1.759 5.598 1.4733 1-6.933.4 5.541 6.74 1.3564 1-6.859.79 1.199 8.433 1.68 1-6.673.135.1667 9.97 8.919 1-7.564.51 3.1381 11.13 7.3746 1-7.467.338 4.1193 11.959 6.3718 1-7.44.414 56.948 1.565 5.64 1-7.31.485 66.73 1.787 3.8993 1-7.47.55 83.743 1.79 3.9677 1-7.51.595 9.665 13.54 3.5378 1-7.4.7 11.615 13.1 3.1 1-7.3.75 1.4938 13.8.6369 1-7.167.775 14.373 13.51 1.9881 1-7.16.851 157.976 13.63 1.589 1-7.11.91 18.181 13.78 9.6655 1-8.61.97.64 13.81 3.33 1-8.1.971 4.85-1.519 1-8.1.971 16
3. PROGRAMOTEKA 3.1 Primjena Mathcada pri unosu podataka, njihove obrade i grafičkoj prezentaciji rezultata 3.1.1 Istraţivanje aktivnosti katalizatora pri T = 38 K FA 5.7761 7 G38 11.811 a 1 b 1 n 18 i 1 n r38 i FA x38 i G38 a38 i r38 i ( r38) 1 t38 i x38 i r38 i a38 i.1319 6.4771 1-7 1.157 6.1441 1-7.953 5.11571 5.6558 1-7.877 1.18 4.97 1-7.764 14.9144 4.4695 1-7.693 19.8334 4.736 1-7.63 4.7191 3.5149 1-7.545 9.6418 3.1371 1-7.487 41.4497.1981 1-7.341 58.355 1.591 1-7.47 65.66 1.31 1-7. 77.1768 8.6418 1-8.134 91.1188 5.868 1-8.9 17.579.831 1-8.44 16.341 1.6668 1-8.6 135.18 1.656 1-8.17 138.61.9816 1-8.5 14.17 8.394 1-1.1 17
81 7 61 7 T=38 K p T =33 Pa r38 i 41 7 1 7 5 1 15 t38 i Slika 4: Grafički prikaz eksperimentalnih podataka brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu pri T = 38 K Given n a n t38 i b t38 i i 1 i 1 n t38 i ln r38 i i 1 n a t38 i i 1 bn n i 1 ln r38 i Find( a b ) =.3647 13.95355 ro38 e -13.95355 ro38 8.7164 1-7 t 18
r( t) ro38exp (.3647 t) ae38 i r38 i 6.447 1 7 11 6 81 7 T=38 K p T =33 Pa r38 i r( t) 61 7 41 7 1 7 5 1 15 t38 i t Slika 5: Grafički prikaz ovisnosti teorijske funkcije brzine o vremenu u usporedbi s eksperimentalnim podatcima pri T = 38 K 19
3.1. Istraţivanje aktivnosti katalizatora pri T = 43 K FA 5.7761 7 G43 17.651 a 1 b 1 n 18 i 1 n r43 i FA x43 i G43 a43 i r43 i ( r43) 1 t43 i x43 i r43 i a43 i.8 7.15 1-7 1.51 6.78 1-7.99 6.18511 6.54 1-7.838 1.135 4.334 1-7.6 39.979 3.6 1-7.444 66.7663.563 1-7.347 81.565 1.8479 1-7.56 11.476 1.3331 1-7.185 15.7 8.837 1-8.1 17.75 6.7865 1-8.94 181.1865 6.997 1-8.84.1435 4.6933 1-8.65 16.166 3.4865 1-8.53 4.69 1.9918 1-8.8 54.378 1.363 1-8.17 64.68 8.765 1-9.1 7.166 5.49 1-9.8 83.66.1586 1-9.3
81 7 T=43 K p T =33 Pa 61 7 r43 i 41 7 1 7 1 3 t43 i Slika 6: Grafički prikaz eksperimentalnih podataka brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu pri T = 43 K Given n a n t43 i b t43 i i 1 i 1 n t43 i ln r43 i i 1 n a t43 i i 1 bn n i 1 ln r43 i Find( a b ) =.1659 14.791 ro43 e -14.791 ro43 7.7467 1-7 t 1
r( t) ro43exp (.1659 t) 81 7 61 7 T=43 K p T =33 Pa r43 i r( t) 41 7 1 7 1 3 t43 i t Slika 7: Grafički prikaz ovisnosti teorijske funkcije brzine o vremenu u usporedbi s eksperimentalnim podatcima pri T = 43 K
3.1.3 Istraţivanje aktivnosti katalizatora pri T = 47 K FA 5.7761 7 G47 13.81 a 1 b 1 n 18 i 1 n FA x47 i r47 r47 i i a47 G47 i ( r47) 1 t47 i x47 i r47 i a47 i.448 1.641 1-6 1.671 9.8547 1-7.951 5.571 8.9419 1-7.855 1.1739 7.56 1-7.71 14.158 6.868 1-7.653 1.1345 5.8465 1-7.554 3.1153 5.119 1-7.481 4.956 4.1556 1-7.47 56.7389 3.119 1-7.3 66.633.754 1-7.61 84.4977.1634 1-7.7 16.3696 1.666 1-7.15 1.3971 1.761 1-7.141 136.366 1.85 1-7.95 153.181 7.887 1-8.47 186.875 3.835 1-8.34 195.61.6994 1-8.3 18.11 4.393 1-9.3 3
1.51 6 T=47 K p T =33 Pa 11 6 r47 i 51 7 1 3 t47 i Slika 8: Grafički prikaz eksperimentalnih podataka brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu pri T = 47 K Given n a n t47 i b t47 i i 1 i 1 n t47 i ln r47 i i 1 n a t47 i i 1 bn n i 1 ln r47 i Find( a b ) =.1945 13.78546 ro47 e -13.78546 ro47 1.351 1-6 t 4
r( t) ro47exp (.1945 t) 1.51 6 T=47 K p T =33 Pa 11 6 r47 i r( t) 51 7 1 3 t47 i t Slika 9: Grafički prikaz ovisnosti teorijske funkcije brzine o vremenu u usporedbi s eksperimentalnim podatcima pri T = 47 K 5
3.1.4 Istraţivanje aktivnosti katalizatora pri T = 447 K FA 5.7761 7 G447 1.91 a 1 b 1 n 18 i 1 n r447 i FA x447 i G447 a447 i r447 i r447 1 t447 i x447 i r447 i a447 i.869 1.3476 1-6 1.649 1.44 1-6.93 4.4431 1.1475 1-6.85 1.1893 8.893 1-7.66.1557 7.313 1-7.543 3.1881 6.5 1-7.449 4.1843 5.93 1-7.378 58.8357 3.953 1-7.91 7.73 3.383 1-7.51 8.63.96 1-7. 9.555.5951 1-7.193 1.516.356 1-7.175 1.3941 1.8511 1-7.137 157.61 1.17 1-7.91 18.1876 8.8116 1-8.65.198 6.967 1-8.45.74 3.46 1-8.5 4.185 8.6894 1-9.6 6
1.51 6 T=447 K p T =33 Pa 11 6 r447 i 51 7 1 3 t447 i Slika 1: Grafički prikaz eksperimentalnih podataka brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu pri T = 447 K Given n a n t447 i b t447 i i 1 i 1 n t447 i ln r447 i i 1 n a t447 i i 1 bn n i 1 ln r447 i Find( a b ) =.1661 13.661 ro447 e -13.661 ro447 1,1681 1-6 t 7
r( t) ro447exp (.1661 t) 1.51 6 T=447 K p T =33 Pa 11 6 r447 i r( t) 51 7 1 3 t447 i t Slika 11: Grafički prikaz ovisnosti teorijske funkcije brzine o vremenu u usporedbi s eksperimentalnim podatcima pri T = 447 K 8
3.1.5 Istraţivanje aktivnosti katalizatora pri T = 473 K FA 5.7761 7 G473 1.811 a 1 b 1 n 18 i 1 n r473 i FA x473 i G473 a473 i r473 i r473 1 t473 i x473 i r473 i a473 i 1.957 1.5791 1-6 1.759 1.4733 1-6.933 5.541 1.3564 1-6.859 1.199 1.68 1-6.673.1667 8.919 1-7.564 3.1381 7.3746 1-7.467 4.1193 6.3718 1-7.44 56.948 5.64 1-7.31 66.73 3.8993 1-7.47 83.743 3.9677 1-7.51 9.665 3.5378 1-7.4 11.615 3.1 1-7.3 1.4938.6369 1-7.167 14.373 1.9881 1-7.16 157.976 1.589 1-7.11 18.181 9.6655 1-8.61.64 3.33 1-8.1 4.85 1.519 1-8.1 9
1 6 T=473 K pt=33 Pa 1.51 6 r473 i 11 6 51 7 1 3 t473 i Slika 1: Grafički prikaz eksperimentalnih podataka brzine kemijske reakcije u ovisnosti o vremenu pri T = 473 K Given n a n t473 i b t473 i i 1 i 1 n t473 i ln r473 i i 1 n a t473 i i 1 bn n i 1 ln r473 i Find( a b ) =.164 13.44635 ro473 := e -13.44635 ro473 := 1.4465 1-6 t 3
r( t) ro473exp(.164 t) 1 6 1.51 6 T=473 K pt=33 Pa r473 i r( t) 11 6 51 7 1 3 t473 i t Slika 13: Grafički prikaz ovisnosti teorijske funkcije brzine o vremenu u usporedbi s eksperimentalnim podatcima pri T = 473 K 31
3 3. Primjena matrične algebre u računanju i prezentaciji rezultata 3..1 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 38 K Matrica eksperimenta: Brzina kemijske reakcije konverzije benzena definira se kao r B = FA x G Analiziranjem ovog izraza uočavaju se dvije konstante (FA i G), dok se x mijenja. Matrica prema matematičkom (teorijskom) modelu: 5.776 1 7 11.81 1 x38 1 x38 x38 3 x38 4 x38 5 6.44713 1 7 6.1448 1 7 5.65578 1 7 4.9699 1 7 4.46949 1 7 ro38 ro38 ro38 ro38 ro38 a38 1 a38 a38 3 a38 4 a38 5
33 8.7164 1 7 8.314 1 7 7.6393 1 7 6.65493 1 7 6.3648 1 7 Kada se analizira umnožak matrica prema teorijskom modelu, uočava se da je prvi faktor konstanta (ro38), dok se aktivnost mijenja, stoga se matricu prema teorijskom modelu jednostavnije može zadati kao umnožak skalara s dijagonalnom matricom: 8.7164 1 7 8.314 1 7 7.6393 1 7 6.65493 1 7 6.3648 1 7 Po istim zakonitostima se vrši kontrola dobivenih rezultata i usporedba eksperimentalnih i izračunatih numeričkih vrijednosti brzine hidriranja benzena pri ostalim temperaturama pri kojima su vršena mjerenja konverzije benzena u cikloheksan uz deaktivirajuću tvar tiofen. ro38 a38 1 a38 a38 3 a38 4 a38 5
34 3.. Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 43 K Matrica eksperimenta: Matrica prema matematičkom (teorijskom) modelu: 5.776 1 7 17.65 1 x43 1 x43 x43 3 x43 4 x43 5 7.147 1 7 6.7799 1 7 6.54 1 7 4.33419 1 7 3.57 1 7 ro43 a43 1 a43 a43 3 a43 4 a43 5 7.7467 1 7 7.1961 1 7 6.4911 1 7 4.64764 1 7 3.4396 1 7
35 3..3 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 47 K Matrica eksperimenta: Matrica prema matematičkom (teorijskom) modelu: 5.776 1 7 13.8 1 x47 1 x47 x47 3 x47 4 x47 5 1.6411 1 6 9.85471 1 7 8.94188 1 7 7.56 1 7 6.868 1 7 ro47 a47 1 a47 a47 3 a47 4 a47 5 1.351 1 6 9.81 1 7 8.8183 1 7 7.4995 1 7 6.791 1 7
36 3..4 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 447 K Matrica eksperimenta: Matrica prema matematičkom (toerijskom) modelu: = 5.776 1 7 1.9 1 x447 1 x447 x447 3 x447 4 x447 5 1.34757 1 6 1.443 1 6 1.1475 1 6 8.8934 1 7 7.3131 1 7 ro447 a447 1 a447 a447 3 a447 4 a447 5 1.1681 1 6 1.7844 1 6 9.94619 1 7 7.7747 1 7 6.33876 1 7
37 3..5 Provjera računanja brzine hidriranja benzena pri T = 473 K Matrica eksperimenta: Matrica prema matematičkom (teorijskom) modelu: 5.776 1 7 1.81 1 x473 1 x473 x473 3 x473 4 x473 5 1.5795 1 6 1.4733 1 6 1.35643 1 6 1.678 1 6 8.9187 1 7 ro473 a473 1 a473 a473 3 a473 4 a473 5 1.4465 1 6 1.34966 1 6 1.458 1 6 9.73576 1 7 8.15471 1 7
3.3 OdreĎivanje koncentracije benzena u kolokacijskim točkama pri T = 38 K Rješavanje diferencijalnih bilančnih jednadžbi metodom Runge - Kutta yb 6 y B ( x1) 1 y B ( x1) m m.339 1. 1.4884 Dobivena je bilančna parcijalna diferencijalna jednadžba u razvijenoj formi kad je korišten empirijski kinetički model za brzinu hidriranja. ϕ je Thielov modul, dok m predstavlja red reakcije. startt endt 1 n 1 inity G( t y ) 6( y 1) 1.488y.339 K1 ( t y h ) G( t y ) K ( t y h ) G( t.5h y.5h K1 ( t y h )) K3 ( t y h ) G( t.5h y.5h K ( t y h )) K4 ( t y h ) G( t h y hk3 ( t y h )) rk( t y h ) j n 1 h 6 ( K1 ( t y h ) K ( t y h ) K3 ( t y h ) K4 ( t y h )) t startt h endt startt n t j 1 t j h 38
h.1 y inity y j 1 y j rk t j y j h G j 1 6 y j 1 1 1.488 y j 1.339 j 1 5 y j+1 := t j+1 := y j+1 := t j+1 :=.5444.1.63957.6.134..6481.7.14846.3.6561.8.1914.4.6636.9.879.5.676.3.647.6.67715.31.9814.7.6838.3.396.8.6891.33.3586.9.69437.34.3853.1.69939.35.4153.11.749.36.4347.1.7849.37.4565.13.716.38.47658.14.71645.39.49575.15.75.4.51366.16.734.41.5339.17.7658.4.5463.18.7953.43.5665.19.733.44.5743..73488.45.5879.1.73731.46.5994..73957.47.611.3.74169.48.666.4.74368.49.6343.5.74554.5 Tablica 6: Vrijednosti funkcije y B u kolokacijskim točkma 39
.8.6 Slika 14: Grafički prikaz vrijednosti funkcije y B u kolokacijskim točkama za interval vremenske varijable od.5. y j1.4..1..3.4.5 t j1 G j+1 := t j+1 := G j+1 := t j+1 := 5.11868.1.88378.6 4.691..867.7 4.398.3.77338.8 4.1155.4.735.9 3.747.5.67691.3 3.46345.6.63333.31 3.393.7.5958.3 3.34.8.55447.33.79975.9.51883.34.6115.1.4855.35.43648.11.4543.36.74.1.4515.37.1341.13.39787.38 1.9831.14.3735.39 1.855.15.34847.4 1.7386.16.3613.41 1.61748.17.353.4 1.51176.18.8567.43 1.41314.19.6737.44 1.311..54.45 1.353.1.34.46 1.1553..19.47 1.814.3.519.48 1.119.4.196.49.94484.5.17977.5 Tablica 7: Vrijednost diferencijalnog kvocijenta u kolokacijskim točkama 4
6 5 4 G j1 3 1.1..3.4.5 t j1 Slika 15: Grafički prikaz vrijednosti diferencijalnog kvocijenta u kolokacijskim točkama za interval vremenske varijable od.5. Iz podataka i slike, vidljivo je da vrijednost diferencijalnog kvocijenta δy B δθ pada prema, te se sustav približava stacionarnom stanju. s vremenom Koncentracijski profil reaktanta benzena kroz česticu katalizatora, oblika valjka, u 3 stacionarnim uvjetima, izračunati su prema jednadžbi (9): c y 1 j = t j = y j = c j = j = t j = y j = c j =. -1.5 15.15.49575 -.75638 1.1.5444-1.41835 16.16.51366 -.7951..134-1.3449 17.17.5339 -.7441 3.3.14846-1.7731 18.18.5463 -.6895 4.4.1914-1.148 19.19.5665 -.659 5.5.879-1.15681..5743 -.6385 6.6.647-1.193 1.1.5879 -.61936 7.7.9814-1.58..5994 -.6144 8.8.396-1.611 3.3.611 -.58468 9.9.3586 -.9661 4.4.666 -.5691 1.1.3853 -.95 5.5.6343 -.55435 11.11.4153 -.884 6.6.63957 -.5464 1.1.4347 -.84889 7.7.6481 -.578 13.13.4565 -.8159 8.8.6561 -.5158 14.14.47658 -.78513 9.9.6636 -.546 j j 41
j = t j = y j = c j = j = t j = y j = c j = 3.3.676 -.4941 41.41.734 -.41486 31.31.67715 -.4848 4.4.7658 -.4113 3.3.6838 -.4759 43.43.7953 -.457 33.33.6891 -.46649 44.44.733 -.4155 34.34.69437 -.45844 45.45.73488 -.39767 35.35.69939 -.4591 46.46.73731 -.3944 36.36.749 -.44386 47.47.73957 -.3964 37.37.7849 -.4377 48.48.74169 -.38746 38.38.716 -.4311 49.49.74368 -.38448 39.39.71645 -.4533 5.5.74554 -.38169 4.4.75 -.4199 Tablica 8: Koncentracijski profil za nestacionarno stanje katalitičkog sustava u kolokacijskim točkama za interval nezavisne vremenske varijable od -.5 x.1 1 zt( x) 1 1.5 1 x zt( x) 1 1.3449 1 x zt4( x) 1 1.148 1 x zt6( x) 1 1.193 1 x zt8( x) 1 1.611 1 x zt1( x) 1.95 1 x zt33( x) 1.46649 1 x zt49( x) 1.38448 1 x zt1( x) 1 1.41835 1 x zt3( x) 1 1.7731 1 x zt5( x) 1 1.15681 1 x zt7( x) 1 1.58 1 x zt9( x) 1.9661 1 x zt13( x) 1.8159 1 x zt4( x) 1.4199 1 x 4
1 zt( x) zt1 ( x) zt ( x) zt3 ( x) zt4 ( x) zt5 ( x) zt6 ( x).5 zt7 ( x) zt8 ( x) zt9 ( x) zt1 ( x) zt13 ( x) zt33 ( x) zt4 ( x) zt49 ( x).5..4.6.8 1 Slika 16: Grafički prikaz nestacionarnog stanja katalitičkog sustava x 3.4 Stacionarno stanje katalitičkog sustava pri T = 38 K y t Given 6( y 1) exp(.364718 t) 1.488y.339 Find( y).7775 43
y.773 zt( x) 1 (.341) 1 x c 3 ( y 1) c.345 1.9 zt( x).8.7.6..4.6.8 1 Slika 17: Grafički prikaz stacionarnog stanja katalitičkog sustava x 3.5 Nestacionarno deaktivacijsko stanje katalitičkog sustava pri T = y t Given 38 K 6( y 1) exp(.364718 t) 1.488y.339 Find( y).7775 44
y.773 c 3 ( y 1) c.345 y( x) 1.69 1 x x.1 1 j 1 11 i 1 1 t j := C j := x j :=. -.341.1 -.16.1. -.75..3 -.34.3.4 -.15.4.5 -.7.5.6 -.3.6.7 -.1.7.8 -.645.8.9 -.85.9 1 Tablica 9: Koncentracijski profili nestacionarnog deaktivacijskog stanja u kolokacijskim točkama za interval vremenske varijable od - 1 x.1 1 zt( x) 1.341 1 x zt( x) 1.75 1 x zt4( x) 1.15 1 x zt6( x) 1.3 1 x zt8( x) 1.645 1 x zt1( x) 1.16 1 x zt3( x) 1.34 1 x zt5( x) 1.7 1 x zt7( x) 1.1 1 x zt9( x) 1.85 1 x 45
1 zt( x) zt1 ( x) zt ( x).9 zt3 ( x) zt4 ( x) zt5 ( x).8 zt6 ( x) zt7 ( x) zt8 ( x).7 zt9 ( x).6..4.6.8 1 Slika 18: Grafički prikaz nestacionarnog deaktivacijskog stanja katalitičkog sustava x 3.6 Profili benzena - nestacionarno deaktivacijsko stanje y t yb 1 yb x yb.339 x x Given 6( y 1) exp(.3647t ) 1.4884y.339 Find( y).777 y.777 y( x) 1.69 1 x 3 c ( y 1) c.3495 x.1 1 j 1 11 i 1 18 46
c j := x j := y j := -.3495.777 -.31899.1.78734 -.884..877 -.4334.3.83777 -.17.4.8566 -.1788.5.88115 -.14964.6.94 -.1544.7.91637 -.8186.8.94543 -.444.9.9739 -.3448 1.9771 -.33.98511 -.1343.9915 -.75.995 -.375.9975 -.7.998 -.43.99838 -.5.9985 Tablica 1: Koncentacijski profili benzena kroz zrno katalizatora pri realnim vrijednostima vremenske varijable x.1 1 zt( x) 1 (.3495) 1 x zt( x) 1 (.31899) 1 x zt5( x) 1 (.884) 1 x zt14( x) 1 (.17) 1 x zt4( x) 1 (.14964) 1 x zt41( x) 1 (.8186) 1 x zt65( x) 1 (.3448) 1 x zt91( x) 1 (.1343) 1 x zt16( x) 1 (.375) 1 x zt138( x) 1 (.43) 1 x zt( x) 1 (.31899) 1 x zt1( x) 1 (.4334) 1 x zt19( x) 1 (.1788) 1 x zt9( x) 1 (.1544) 1 x zt58( x) 1 (.444) 1 x zt77( x) 1 (.33) 1 x zt17( x) 1 (.75) 1 x zt135( x) 1 (.7) 1 x zt14( x) 1 (.5) 1 x 47
1 zt( x) zt( x) zt5( x) zt1 ( x) zt14 ( x) zt19 ( x) zt4 ( x) zt9 ( x) zt41 ( x) zt58 ( x) zt65 ( x) zt77 ( x).96.9.88.84.8.76 zt91 ( x) zt17 ( x) zt135 ( x) zt14 ( x).7.68.64.6.1..3.4.5.6.7.8.9 1 Slika 19: Grafički prikaz koncentracijskog profila benzena kroz polovinu zrna katalizatora x 48
x 1.99 1 1 zt( x) zt( x) zt5( x) zt1 ( x) zt14 ( x) zt19 ( x) zt4 ( x) zt9 ( x) zt41 ( x) zt58 ( x) zt65 ( x) zt77 ( x).96.9.88.84.8.76 zt91 ( x) zt17 ( x) zt16 ( x) zt135 ( x).7.68.64.6 1.8.6.4...4.6.8 1 x Slika : Grafički prikaz koncentacijskog profila benzena kroz cijelo zrno katalizatora 49
4. RASPRAVA Ovim diplomskim radom prišlo se organskoj kemiji s inženjerskog gledišta uz naglasak na matematičko modeliranje tako da ovaj rad pripada području matematičkog modeliranja u kemijskom inženjerstvu. Verifikacija dobivenih matematičkih modela provedena je literaturnim podatcima koji su rezultat laboratorijskih istraživanja reakcije hidriranja benzena na Ni Al katalizatoru oblika valjka dimenzija 5x5 mm. Katalizator je bio O3 SiO smješten u diferencijalnom cijevnom reaktoru na čijem ulazu su se uvodili reaktanti vodik i benzen, a na izlazu su bili neproreagirani reaktanti i produkt cikloheksan. Izlazna smjesa ulazila je u plinski kromatrograf na analizu. Deaktivacijski proces katalizatora simulirao se uvođenjem tiofena koji je s vremenom blokirao aktivne centre katalizatora i time usporavao reakciju. Dakle, događale su se dvije paralelne reakcije: glavna i sporedna. Općenito, s aspekta projektiranja reaktora, može se naglasiti da, reakcijski sustavi katalizirani čvrstim katalizatorom spadaju u red najsloženijih sustava. Preduvjet postavljanju reaktorskog modela je kinetički model, tako da je nužno razviti eksperimentalni sustav. Nakon toga slijedi matematičko modeliranje kako bi se izvršile predradnje za uspješno projektiranje kemijskog reaktora ili bioreaktora, a njihovi osnovni principi rada su identični. Izabran je spomenuti organski sustav da se na njemu pokaže sve prethodno navedeno. Za rješavanje nelinearne diferencijalne jednadžbe korištena je numerička četverokoračna metoda Runge Kutta. U tu svrhu iskorišten je matematički alat Mathcad kao programski jezik čime su ilustrirani njegovi dosezi. Može se kazati da je razvijen originalni softver koji je prilagođen nelinearnoj parcijalnoj diferencijalnoj jednadžbi čija nelinearnost proizlazi iz promjene reda reakcije na istraživanim temperaturama. Međutim zbog dimenzija ovog diplomskog rada dat je samo primjer pri temperaturi od 38 K (sadržaj 3.3-3.6). Po istim zakonitostima moguće je riješiti i sve ostale diferencijalne jednadžbe pri ostalim temperaturama. Važno je istaknuti da redovi reakcije nisu cijeli brojevi što ovaj program dodatno čini složenijim. Izrađeni su prikazi 5
kompletnog proračuna po svim njegovim fazama odnosno dat je osvrt na stanje katalitičkog sustava. Početak je nestacionarno stanje YB YB 1 YB X X X Y m B u kojem koncentracijski profili benzena (kroz zrna katalizatora) rastu u vremenu i teže stanju odnosno reakcijskom vremenu kada se više ne mijenjaju. U tom trenutku katalitički sustav dolazi u stacionarno stanje YB 1 YB X X X Y m B Ovo stacionarno stanje se ne bi mijenjalo tijekom vremena kada se u reaktor ne bi počeo uvoditi tiofen kao deaktivirajuća tvar. Uvođenjem tiofena sustav započinje prelaziti u nestacionarno deaktivacijsko stanje X YB 1 YB X X Od iznimne važnosti i interesa je uvođenje deaktivirajuće tvari jer je cilj istražiti kako deaktivirajuća tvar truje katalitički aktivne centre, blokira ih te time ometa odvijanje reakcije koje ovisi o nizu faktora od kojih su možda najvažniji koncentracija deaktivirajuće tvari, temperatura sustava, kao i aktivna površina katalizatora. Tiofen smanjuje aktivnu površinu katalizatora vezujući se za njegove aktivne centre što uzrokuje porast koncentracijskog profila benzena na zrnu katalizatora i tako sve dok se pore katalizatora ne ispune u potpunosti odnosno dok se ne dobije profil paralelan sa osi apscisom (slike 19, ). Razlog ovome je nedostatak katalitičkih centara za proces hidriranja benzena. Posljedica postepene deaktivacije katalizatora je ta da s vremenom brzina reakcije opada, a katalizator postaje neaktivan. Važno je za naglasiti da je ovo rezultat eksperimenta čije je podatke bilo potrebno modelirati, a to se je uspjelo predloženim matematičkim modelima i metodama u ovom radu. Dakle, uravnotežen je eksperimentalni postupak s predloženom teorijom. a t Y m B Može se postaviti i pitanje zbog čega su bilančne diferencijalne jednadžbe 51