Vortragssprache | unbekannt |
Chemische Technik II: Katalyse
Typ: | Vorlesung (V) | ||
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Lehrstuhl: | Fakultät für Chemie und Biowissenschafte | ||
Semester: | WS 15/16 | ||
Zeit: | 20.10.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 27.10.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 03.11.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 10.11.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 17.11.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 24.11.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 01.12.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 08.12.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 15.12.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 22.12.2015 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 12.01.2016 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 19.01.2016 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 26.01.2016 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 02.02.2016 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik 09.02.2016 09:45 - 11:15 wöchentlich 11.21 Raum 006 11.21 Chemische Technik |
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Dozent: | Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt |
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SWS: | 2 | ||
LVNr.: | 5410 | ||
Zusatzinformationen zur Vorlesung CT II: Kinetik und Katalyse
Die aktuellen Folien werden nach der VL-Stunde auf dem Server berreitgestellt (Update-Datum wird angegeben). Die zur Verfügung gestellten Unterlagen sind nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt.
1. Einführung (Download, updated 20.10.2015)
1.1. Historische Entwicklung
1.2. Grundbegriffe
1.3. Kinetik chemischer Reaktionen, Katalysatortest
2. Struktur und Präparation von Katalysatoren (Download der Folien, updated 01.12.2015)
2.1. Makroskopische Struktur
2.2. Mikroskopische Struktur
2.3. Präparationsmethoden
2.3.1. Präparation von Bulk-Katalysatoren
2.3.2. Präparation von beschichteten Katalysatoren
2.3.3. Nachbehandlungsschritte
2.3.4. Zukünftige Entwicklungen - Rationales Design und in situ Spektroskopie
2.3.5. Zukünftige Entwicklungen - Robotergesteuerte Synthese
2.4. Exkursion: Zeolith-Synthese
3. Elementare Prozesse an der Oberfläche: Adsorption und Desorption (Download der Folien, updated 01.12.2015)
3.1. Physisorption und Chemisorption - Energetische Betrachtung
3.2. Struktur der Adsorbatschichten
3.3. Kinetik der Adsorption
3.3.1. Kinetische Gastheorie
3.3.2. Adsorptionskinetik
3.4. Kinetik der Desorption
3.5. Adsorptionsgleichgewichte
3.5.1. Langmuir-Isotherme, nicht-dissoziativ
3.5.2. Dissoziative Adsorption (Langmuir)
3.5.3. Kompetitive Adsorption (Langmuir)
3.5.4. Weitere Adsorptionsisothermen (Tempkin, Freundlich, BET)
4. Oberflächenreaktionen und Abgasnachbehandlung (Download der Folien, updated 01.12.2015)
4.1. Historische Oberflächenkinetiken (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal)
4.2. Allgemeine Betrachtung eines einfachen Falles: Butenisomerisation
4.2.1. Oberflächenreaktion geschwindigkeitsbestimmend
4.2.2. Adsorption bzw. Desorption geschwindigkeitsbestimmend
4.3. Allgemeine Betrachtung einer Reaktion von zwei Reaktanden, Langmuir-Hinshelwood (LH) Mechanismus
4.3.1. Elementarschritte und Lösungsansätze
4.3.2. Die vollständige Lösung
4.3.3. Steady State Näherung
4.3.4. Annahme von quasi-Gleichgewichten
4.3.5. Elementarschritte mit ähnlichen Raten
4.3.6. Weitere Vereinfachungen im Vergleich zur ”Quasi-equilibrium Approximation”
4.3.7. Reaktionsordnung als Funktion der Gaszusammensetzung
4.3.8. Scheinbare Aktivierungsenergie als Funktion der Gaszusammensetzung
4.3.9. Übersicht einer Reihe von Reaktionen zwischen zwei Reaktanden
4.3.10. Ein Beispiel für Adsorption als limitierenden Elementarschritt
4.4. Einschub: Anwendung in der Abgaskatalyse (Industrielle Katalyse I)
4.4.1. CO-Oxidation, Elementarschritte (siehe auch Übung)
4.4.2. Abgase und Abgasreinigungsverfahren
4.4.3. Dreiwegekatalysator (siehe auch Übung; NO und CO auf metallischen Oberflächen)
4.4.4. SCR-Katalysator
4.4.5. NOx-Speicherkatalysator
4.4.6. Rußoxidation
5. Charakterisierung (Folien - download, Update 23.12.2015)
5.1. Abbildende Methoden für ideale Oberflächen (STM, AFM)
5.2. Mikroskopische Methoden für Pulverkatalysatoren (TEM, SEM, STEM)
5.3. Oberflächenanalytische Techniken (XPS, AES, LEIS/ISS, SIMS, EELS)
5.4. Beugungs- und Streumethoden
5.5. Röntgenspektroskopische Methoden (XANES, EXAFS, etc.)
5.6. Schwingungsspektroskopie (IR, Raman)
5.7. UV-vis Spektroskopie
5.8. Physisorption (BET), Chemisorption, TPD, TPR
5.9. Weitere Methoden: NMR, Mössbauer, EPR,...
6. Wasserstoffherstellung (Entschwefelung, Reforming, etc.) und in situ/operando Spektroskopie (Folien - download aktualisiert 23.12.2015)
6.1. Industrielle katalytische Prozesse II: Wasserstoff-und Synthesegas-Produktion
6.2. Hydrotreating und Entschwefelung (Mechanismus, siehe Übung, WHD von 5.1) - Steeam und autothermes Reforming, katalytische partielle Oxidation, Wasser-Gas-Shift-Reaktion, Methanisierung
6.3. Thermodynamische Aspekte und technische Realisierung
6.4. Mechanismus der Methanaktivierung
6.5. Kohlenstoffbildung und in situ Transmissionselektronenmikroskpie
6.6. Wasserstofferzeugung durch partielle Oxidaigton von Methan
6.7. Allgemein:Charakterisierung unter Reaktionsbedingungen
6.8. Ortsauflösung entlang des Reaktors
7. Theorie des Übergangszustandes (TST) und mikrokinetische Modellierung (Folien - download, Update 23.12.2015)
7.1. Einführung in die Theorie des Übergangszustandes
7.2. Wrap up: Arrhenius-Gleichung, Statistische Thermodynamik, Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen (empfohlene Literatur zur Vertiefung: P.W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Kapitel 16 und 17)
7.3. Theorie des Übergangszustandes in homogenen Reaktionen (Eyring-Gleichung)
7.4. Übersicht bei Reaktionen an Oberflächen
7.5. Desorption und TST
7.6. Adsorption von Atomen und Molekülen an Oberflächen
7.6.1. Indirekte Adsorption und Vergleich mit kinet. Gastheorie
7.6.2. Direkte Adsorption und Verständnis des Haftkoeffizienten
7.7. Reaktionen an Oberflächen
8. Mikrokinetische Modellierung und Trends in der Katalyse (Folien - download, aktualisiert 26.01.2016)
8.1. Mikrokinetische Modellierung
8.2. Exkurs Industrielle Katalyse III: Ammoniak-Synthese (Katalysator, Optimale Reaktionslinie, Design der Reaktoren)
8.3. Industrielle Ammoniaksynthese
8.4. DFT-Berechnungen
8.5. Trends in der Katalyse:
- Brönstedt-Evans-Polanyi-Beziehung
- Sabatier's Prinzip
- Volcano Plot, Deskriptoren
- Beispiel: Ammoniaksynthese, Methanisierung
9. Makrokinetik und Produktdesign in der Katalyse, Oxidationskatalyse (Folien - download, aktualisiert 09.02.2016)
7.1. Grundregeln zum Katalysatortest
7.2. Transporteffekte in Festkörpern
7.2.1. Effektiver Transportkoeffizient
7.2.2. Katalysatorwirkungsgrad und Thiele Modul
7.3. Konzentrationsprofil und Korn (Kugel) und Wirkungsgrad
7.4. Katalysatorwirkungsgrad in verschiedenen Geometrien
7.5. Verfälschte Kinetik und Aktivierungsenergie bei starker Porendiffusion
7.6. Nichtisothermer Fall
7.7. Praktische Konsequenzen für das Katalysatordesign
7.8. Exkurs Schwefelsäurekatalysatoren: Beispiel für Produktdesign in der Katalyse
7.9. Übersicht zu weiteren Beispielen für Oxidationsreaktionen: Ethylen-Epoxidation, selektive Propen-Oxidation, Butan zu Maleinsäureanhydrid, etc.
10. Großtechnische Prozesse: Von der Nanostruktur bis zur Anwendung (Folien - download, aktualisiert 09.02.2016)
10.1. Methanol-Synthese
10.2. Fischer-Tropsch Synthese (nur kurz)
Weiterführende Vorlesungen:
Moderne Charakterisierungsmethoden für Materialien und Katalysatoren (Grunwaldt, Lichtenberg) - Link
Aktuelle Konzepte in heterogenkatalytischen industriellen Prozessen (Grunwaldt, Casapu, Kleist, Gäste aus Industrieunternehmen) - Link
Katalyse für nachhaltige chemische Produkte und Energieträger (Grunwaldt, Kleist, Gäste aus Industrieunternehmen) - Link
Spektroskopie und Beugungsmethoden am Synchrotron (Grunwaldt, Lichtenberg, Doronkin, Gäste aus anderen Universitäten und Synchrotronstrahlungsquellen) - Link
Technologies and Resources for Renewable Energy: From Wind and Solar Power to Chemical Energy Storage (Grunwaldt, Kiener) - Link
Modellierung und Simulation chemischer Reaktoren (Deutschmann, Tischer)
Übungen
1. Aufgabenset JDG - 1 (20.10.2015)
2/3. Aufgabenset JDG - 2/3 (27.10.2015)
4. Aufgabenset JDG - 4 (10.11.2015)
5. Aufgabenset JDG - 5 (17.11.2015)
6. Aufgabenset JDG - 6 (24.11.2015)
7. Aufgabenset JDG - 7 (01.12.2015 und 08.12.2015)
8. Aufgabenset JDG - 8 (08.01.2016)
9. Aufgabenset JDG - 9 (15.01./22.01.2016)
10. Aufgabenset JDG - 10 (Optional)
Die obenstehenden Aufgaben werden in der "Übung für CTI und Katalyse" besprochen.
Downoad einer älteren Klausur (45 min).