A3. Heterogene Katalyse

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1. Kinetischer Bereich
Die innere und äußere Oberfläche des Katalysators wird für die Reaktion vollständig genutzt, die
Geschwindigkeiten des Stofftransports durch Grenzschicht und Kapillaren des Katalysators sind
somit schnell im Vergleich zur Reaktionsgeschwindigkeit. Im Inneren des Katalysators ist die auf
das Volumen bezogene Molzahl der Reaktanden gleich deren Konzentration im den Festkörper
umgebenden Gasraum- entlang der Ortskoordinate x treten keine Konzentrationsgradienten auf.
Für diesen Grenzfall ist der Ansatz für die Reaktionsgeschwindigkeit, d.h. die pro Volumen- und
Zeiteinheit umgesetzte Zahl der Mole an Reaktanden, mit der experimentell zugänglichen
Geschwindigkeitskonstanten k' und der Konzentration c gas der Reaktanden im Gasraum zu bilden
1 d n ,k' c
V d t gas (1)
max
Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit ist durch die der Geschwindigkeitskonstanten
k' gegeben
1E'
R4T
k' ,A'4e
(2)
Im Experiment ist eine Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten k' z.B. dadurch
realisierbar, dass die Reaktion bei geringen Reaktortemperaturen durchgeführt wird. Durch
Erhöhung der Reaktortemperatur kann die Geschwindigkeit der Reaktion groß gegenüber der
Diffusionsgeschwindigkeit in den Poren und klein gegenüber der Geschwindigkeit des Stoffübergangs
sein. Dieser Bereich wird als Diffusionsbereich bezeichnet.
2. Diffusionsbereich (Porendiffuision)
Die Reaktanden gelangen vergleichsweise schnell durch die Grenzschicht an die Katalysatoroberfläche.
Während ihrer Diffusion in das Innere des Katalysators werden sie jedoch so schnell
umgesetzt, dass keine oder nur sehr wenige Spezies ohne Reaktion weiter in den Festkörper
diffundieren können. Die Reaktion findet an der äußeren Katalysatoroberfläche und in der
äußeren Randzone des Festkörpers statt- entlang der Ortskoordinate x tritt ein Konzentrationsabfall
auf.
Die nun beobachtete Reaktionsgeschwindigkeit beträgt
1 d n ,k' c (3)
V d t
Da die mittlere Konzentration der Reaktanden im Inneren des Katalysators c experimentell
nicht zugänglich ist, wird das Produkt k'4c ersetzt durch k'4c gas wobei die unbekannten Größen
nun der mittleren oder effektiven Geschwindigkeitskonstanten k' anhaften.