Opis ćwiczenia.

Reakcja krakingu katalitycznego przeprowadzana jest w bliźniaczych przepływowych reaktorach kwarcowych z nieruchomymi złożami katalizatorów. Schemat aparatury przedstawiono na rysunku I.

Rysunek 1. Schemat aparatury do krakingu katalitycznego

A,B,C,D,E,F - krany; 1 - przepływowy reaktor kwarcowy z warstwa katalizatora; 2 - piec grzejny; 3 - termopara; 4 - pompa infuzyjna; 5 - pompka powietrzna; 6 - biureta gazowa; 7 - gazomierz; 8 - chłodnica wodna; 9 - odbieralnik; 10 - dopalacz CO ===> CO₂ ; 11 - wskaźnik i regulator temperatury w reaktorze; 12 - łaźnia chłodząca; 13 - wylot gazów poreakcyjnych wypalania węgla na katalizatorze; 14 - butla z azotem lub argonem; 15 - wymrażalnik; 16 - płuczka olejowa; 17 - wylot gazów do kanału wentylacyjnego.

Produkty reakcji opuszczające reaktor (1) schładzane są w chłodnicy (8) i dodatkowo w wymrażalniku (15) i zbierane w odbieralniku (9).

Pozostałe produkty gazowe kierowane są przez kran “B” i biuretę gazową (6) do gazomierza (7).

Po zakończeniu dozowania surowca układ katalityczny płukany jest gazem obojętnym ( N₂ lub Ar). W tym celu łączy się butlę z gazem (14) poprzez odpowiednio ustawione krany “G” i “A” z reaktorem (1). 

Następnie wypalany jest koks, który osadza się na katalizatorze podczas reakcji krakingu. Wypalanie koksu prowadzi się w 600^oC w strumieniu powietrza dozowanego pompką powietrzną (5). Przebiega wówczas reakcja:

CO₂ opuszczający dopalacz kierowany jest przewodem (13) do absorbera wypełnionego roztworem NaOH. W wyniku absorpcji CO₂ w roztworze NaOH powstaje Na₂CO₃. Zawartość Na₂CO₃ w ługu oznacza się metodą Wardena miareczkując badany roztwór kolejno wobec fenoloftaleiny i oranżu metylowego roztworem HCl.

Pierwsze miareczkowanie wykonuje się wobec fenoloftaleiny do odbarwienia się roztworu. Odmiareczkowuje się przy tym cała ilość NaOH i połowa węglanu (węglan przechodzi w kwaśny węglan):

Następnie dodaje się do badanego roztworu oranżu metylowego i miareczkuje roztworem HCl do pierwszej zmiany barwy wskaźnika. Zachodzi wówczas reakcja:

Jeśli na pierwsze miareczkowanie wobec fenoloftaleiny schodzi a [ml] HCl , na drugie wobec oranż metylowego b [ml] , to zawartość Na₂CO₃ w NaOH można policzyć według wzoru:

N - normalność HCl

0.053 - milirównoważnik Na₂CO₃       [g]
 
 

I. Przygotowanie układu do reakcji.

Uwaga: wszystkie czynności wykonujemy w strumieniu azotu lub argonu.

- Płukanie układu reakcyjnego (rys.1) gazem obojętnym.

Połączyć butlę z gazem przez krany “G” i “A”, reaktor (1), chłodnicę (8), 

wymrażalnik (15), płuczkę (16), kran “B” i kran “F” z wylotem gazów do szybu 

wentylacyjnego (17). Po sprawdzeniu ustawienia kranów A, B, F i G odkręcić 

butlę z gazem. 

- Włączyć grzanie pieca (temp. podaje asystent). 

- Zważyć odbieralnik (9).

- Połączyć odbieralnik z chłodnicą (8).

- Włączyć przepływ wody w chłodnicy.

- Wstawić odbieralnik do łaźni chłodzącej (stały CO₂)_.

- Strzykawkę napełnioną substratem umieścić w pompie.

- Nastawić pompę dozującą na odpowiedni przepływ.

- Odciąć strumień gazu obojętnego odpowiednio ustawiając kran “G”.

- Ustawić krany B, D i E tak aby połączyć reaktor (1) z gazomierzem (7). 

- W nasadce reaktora (1) umieścić igłę strzykawki dozującej surowiec.

II. Przeprowadzenie krakingu.

- Włączyć pompę dozującą substrat, zanotować czas rozpoczęcia reakcji i stan licznika gazomierza.

Po zakończeniu dozowania substratu wyłączyć pompę (4) i usunąć łaźnię chłodzącą (12).

- Odczytać czas trwania reakcji i stan licznika gazomierza.

- Zamknąć krany E i D.

- Podłączyć butlę z Ar do reaktora (1) aby wypłukać gazy ze złoża ustawiając 

odpowiednio krany G, A, B i F. Płukanie złoża prowadzić 10 min.

- Zdjąć odbieralnik (9) i założyć pustą kolbkę.

- Zważyć odbieralnik z produktami reakcji.

- Metodą chromatografii gazowej przeprowadzić analizę otrzymanych produktów 

ciekłych i gazowych.

III. Wypalanie koksu.

- Odciąć dopływ gazu obojętnego do reaktora (1) kranem “G”.

- Połączyć wylot dopalacza z absorberem CO_2.

- Absorber napełnić 300 ml 0.1N roztworu NaOH.

- Ustawić krany A, B, C i F w położeniach zapewniających przepływ powietrza 

przez reaktor (1) do dopalacza (10) i dalej do absorbera. 

- Włączyć pompkę powietrzną (5).

- Podnieść temperaturę w reaktorze (1) do 600^oC.

- Wypalanie koksu prowadzimy 1 h.

- Po zakończeniu wydzielania się CO₂ wyłączyć grzanie pieca i pompkę powietrzną.

- Oznaczyć ilości wydzielonego CO_2.

UWAGA: Jeżeli po zakończeniu krakingu w reaktorze (1) nie przewiduje się prowadzenia reakcji w reaktorze (2) zamknąć zawór na butli (14) przed rozpoczęciem wypalania koksu. 
 
 

Dane uzyskane z przeprowadzonego krakingu:

Surowiec - dodekan ( C₁₂H₂₆ )

Ilość surowca użytego do krakingu ...............................

Temperatura reakcji ..............

Ilość katalizatora 4.4 g sit molekularnych 13X

Czas krakingu ....................

Objętość i skład produktów gazowych ............................

Masa i skład produktów ciekłych .....................................
 
 

IV. Analiza ciekłych produktów krakingu katalitycznego.

Gazowe i ciekłe produkty krakingu analizuje się metodą chromatografii gazowej na aparacie HP. Stosuje się kolumnę kapilarną (30.0 m x 320 mm x 0.25 mm) typu HP 19091J-413 wypełnioną 5% fenylo-metylo siloksanem .

Warunki pracy chromatografu:

- Temperatura pieca 50^oC

- Ciśnienie na wejściu komory nastrzykowej 85 kPa

- Temperatura " " 240^oC

- Przepływ gazu nośnego (Ar) 27.0 ml/min

- Parametry pracy detektora płomieniowo-jonizacyjnego:

- Przepływ wodoru 30 ml/min

- Przepływ powietrza 350 ml/min
 
 

V. Oznaczenie ilości koksu osadzonego na katalizatorze.

Należy wykonać następujące czynności:

Płuczkę (13) odłączyć od układu. Przelać roztwór do kolby miarowej i dopełnić do kreski wodą destylowaną. 

Wykonać miareczkowanie według podanego niżej przepisu:.

Odmierzyć do erlenmayerki 10 ml roztworu z kolby i ochłodzić w lodzie z NaCl.

Dodać do roztworu 2 krople fenoloftaleiny i rozpocząć miareczkowanie 0.1N HCl.

Uwaga! Miareczkowanie należy prowadzić bardzo powoli, mieszając roztwór i przez cały czas chłodząc go w lodzie z NaCl. Koniec biurety powinien znajdować się jak najbliżej powierzchni roztworu. 

Po odbarwieniu roztworu odczytać objętość kwasu - a  [ml]. Dodać do roztworu 2 krople oranżu metylowego (żółte zabarwienie roztworu) i miareczkować roztworem HCl do zmiany barwy na kolor pomarańczowy. Odczytać objętość kwasu - b [ml].

Uwaga! Ta część miareczkowania powinna być przeprowadzona bardzo powoli - należy dodawać po kropli kwasu, chłodząc miareczkowany roztwór i mieszając.

Obliczyć ilość koksu osadzonego na katalizatorze w sposób następujący:

Zawartość Na₂CO₃ w NaOH jest równa :

a następnie obliczyć zawartość węgla w węglanie. 

Opracowanie wyników.