Módulo de Laboratório para Estudantes de Engenharia

Prévia do material em texto

Resumo
Resumo
Um módulo de laboratório para estudantes de engenharia é descrito. Os alunos usam dados experimentais de baixa conversão para explorar e caracterizar cinética da decomposição da amônia sobre vários catalisadores suportados à pressão atmosférica em um reator de leito fixo. Cada equipe de alunos recebe um dos quatro tipos de catalisador, uma temperatura do reactor, e uma série de taxas de fluxo de alimentação e composições. Agregar dados de Todos os grupos de alunos são então analisados ​​sumariamente por tipo de catalisador. Em cada ensaio experimental, a conversão do reator é determinada por uma medição de condutividade térmica aplicada a alimentação (bypass do reator) e gases efluentes do reator. Uma análise da taxa de reação entre uma gama de temperaturas e pressões parciais de gás de alimentação variável permite aos alunos testar vários mecanismos de reação, sugerir etapas determinantes da velocidade e determinar estatisticamente parâmetros da lei de taxa. Os estudantes tipicamente usam o Langmuir – Hinshelwood – Hougen – Watson (LHHW) para derivar expressões de leis de taxa e determinar constantes de aplicação da equação de Arrhenius. Alto número de estudantes (ca. 140) são acomodados através da disponibilidade de quatro estações experimentais - cada uma compartilhando uma fonte comum de gás de alimentação e equipado com controladores de fluxo independentes e analisadores de gás.
Introdução
O corpo docente do departamento de Engenharia Química e Biológica na Escola de Minas do Colorado (CSM) descobriram que experiências de laboratório de curto prazo podem ser muito úteis para ensinar ferramentas quando aplicado como um estágio na conclusão de um curso de palestra semestral; isso é particularmente verdadeiro para aqueles estudantes de graduação matriculados em cursos de nível sênior que tendem a ser muito abrangente de conceitos de toda a graduação currículo. Especificamente, entrevistas de saída com recentes graduados indicaram a incorporação de um nível de resumo projeto experimental permite que os alunos construam no conteúdo de um curso inteiro de palestras, permitindo que os alunos vejam conceitos abstratos na prática. Módulos de laboratório deste tipo normalmente estão programados para uma ou duas semanas (dependendo o tamanho da turma) durante o último mês do semestre, para que os laboratórios possam ser usados ​​para demonstrar os princípios do curso de forma abrangente.
A fim de fornecer o exercício de laboratório para grupos razoáveis de estudantes, os experimentos devem ser possíveis para executar em um breve período de tempo (tipicamente duas horas ou menos). Além disso, os experimentos devem ser robustos e de baixo custo para replicar, a fim de reduzir tempo de manutenção e para acomodar um grande de estudantes durante o período de uma ou duas semanas. De maior importância, esses experimentos devem proteger a segurança os estudantes e o meio ambiente; usando materiais seguros enquanto minimiza o desperdício gerado. Esses princípios guiados o projeto e a implementação da Engenharia de Reação módulo experimental descrito aqui. 
Em nosso curso de Engenharia de Reação, ambos homogêneos (Ganley, 2015) e sistemas experimentais de reação heterogêneas foram implantados. No caso do heterogêneo sistema descrito aqui, a decomposição de amônia em seus elementos constituintes à pressão atmosférica foi selecionada como a reação modelo:
2NH3 → N2 + 3H2
A estequiometria simples, ausência de reações colaterais (reações dos lados) e grande variação na condutividade térmica do hidrogênio versus amônia e nitrogênio tornando isso uma reação ideal para um experimento introdutório envolvendo reações com catalisadores heterogêneos. O módulo em si foi testado no semestre de outono 2014, e um relatório preliminar foi fornecido por uma profissional apresentado a sociedade (Ganley, 2014).
O módulo laboratorial detalhado na presente comunicação foi projetado e construído para preencher uma lacuna existente em experimentos de cinética de reação prática para graduação estudantes de engenharia química: a provisão de um Reator catalítico de superfície seguro, geralmente livre de manutenção sistema que é facilmente executado como um conjunto de sistemas operados em paralelo. Embora possa ser uma tarefa difícil criar um aparelho em termos gerais, existem desafios particulares para módulos laboratoriais que envolvem reações no local da superfície do gás. De fato, sistemas catalíticos heterogêneos não são comumente empregados em reação de engenharia química de graduação laboratórios de design de cinética / reator. 
A literatura no campo da educação em engenharia química está repleto de descrições de laboratórios de reator homogêneo e publicações recentes destes têm geralmente focado no aprimoramento da entrega de laboratórios em maneiras.
Exemplos incluem: o uso de rastreadores em reatores para caracterização e modelagem de fluxo de dispersão distribuição em tempo de residência (Mendes et al., 2004), a análise reações concorrentes na fase líquida através da limitação modificação de reagentes para estudar os parâmetros que afetam a reação e seletividade (Dahm e Hesketh, 2007), ligando correntes à conversão de reagentes através do estudo de eletroquímica reações com produto metálico / pares reagentes iônicos soluções aquosas (de Radiguès et al., 2011), e baixo custo Detecção colorimétrica de reagentes químicos ou produtos fornecer resposta rápida na medição da extensão da reação (Ganley 2015).
Em contraste, tem havido um número muito limitado de contribuições recentes para a educação em engenharia química literatura sobre módulos laboratoriais de graduação centrados nas reações de superfície. Um exemplo notável é uma combinação laboratório computacional e experimental para o estudo de eletrodeposição de cobre a partir de soluções ácidas, com foco sobre o isolamento de condições para limitações de transferência de massa (VazquezArenas et al., 2009). Infelizmente, este laboratório cria um conjunto de difíceis preocupações de geração de resíduos, bem como requisitos de segurança laboratorial para o manuseio de solução e transferência. Além disso, o hardware eletrônico necessário para as medições potenciostáticas / galvanostáticas adequadas durante operação do sistema pode ser proibitivo em muitos programas, particularmente aqueles em que há um número muito grande de alunos servidos. 
Um bom comparador do trabalho apresentado neste papel foi concluído muito recentemente (Cybulskis et al., 2016), envolvendo a oxidação catalítica do metano sobre o suporte de alumina platina. Este sistema de reatores pode operar em nos modos batch, continuous-stir, ou plug-flow,(batelata, contínuo e sob agitação) e usa um Detector baseado em IR para a determinação da extensão da reação. No entanto, a grande pegada da unidade, o complicado arranjo de fluxo reagente / produto com componentes de vidro, e o forno de garra vertical cada um faz a unidade Desfavorável para replicação e operação paralela. Mais distante, o reator produz produtos secundários indesejados (NO, N2O, NO2) que não são detectáveis pelo analisador de gases - um pouco complicando a análise do reator associado. Finalmente, o ambiente oxidativo dentro do reator e do carbonáceo reagentes acabará por levar a sinterização catalisador e Desativação.
 O módulo experimental de decomposição de amônia descrito aqui representa um avanço inovador por eliminação de muitas das deficiências observadas inerentes sistemas catalíticos heterogêneos anteriores projetados para uso dos alunos. Um esquema de fluxo simples leva a uma pegada pequena e fácil replicação do sistema, um sistema totalmente gasoso elimina a necessidade de preparar misturas ou coletas de reagentes resíduos gastos para eliminação e a decomposição de amonia criando um ambiente de reator redutor e preservador de catalisador que não produz produtos secundários - permitindo assim a clara determinação da extensão da reação.