Microcatalytic reactors: Kinetics and mechanisms with isotopic tracers

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Abstract

Pulsed microcatalytic reactors have found extensive application in the petroleum and chemical industries where rapid catalyst screening and evaluation are demanded. Automated, continuous-operation test units allow the accumulation of considerable amounts of data in a minimum of time. The technique is also useful in research where the small pulse size enables one to study “initial” interactions between surface and reactants. In this way, information about many kinetic parameters, such as intrinsic reaction rates, orders, poisoning effects, and catalyst deactivation, can be obtained. Both stable and radioactive isotopic tracers may be used economically in microcatalytic reactors to provide significant mechanistic information which cannot be obtained conveniently by other methods. For example, one can explore the chemical nature and number of active sites, as well as the fate of individual atoms and molecules as they interact with the catalyst. Although the technique may be applied to both “simple” and complex catalytic reaction systems, the discussion will be limited to a review of data obtained from (1) “unimolecular” reactions such as cyclopropane and butene isomerization and cumene dealkylation over the mixed oxides silica-alumina, silica-magnesia, and zeolites and (2) “bimolecular” reactions such as ethylene hydrogenation over alumina. Some of the limitations of microcatalytic reactors will also be given.

Abstract

Les réacteurs microcatalytiques et pulsés ont nombre d'applications dans les industries petrolière et chimique où l'on a besoin d'un classement et d'une évaluation rapides des catalyseurs. Les réacteurs d'essai automatiques et à fonctionnement continu permettent d'accumuler une foule de renseignements en un temps minimum; on peut aussi les utiliser dans le travail de recherche où les faibles pulsations permettent d'étudier Taction initiate et réciproque entre la surface et les réactifs. Il s'en suit qu'on peut obtenir des renseignements sur un grand nombre de para-mètres cinétiques tels que vitesses intrinsèques et orders de reaction, effets d'empoisonnement et déactivation du catalyseur. On peut utiliser économiquement dans les réacteurs microcatalytiques des traceurs isotopiques stables et radioactifs pour obtenir des renseignements mécanistiques qu'on ne pourrait se procurer convenablement par d'autres méthodes: par exemple, on peut explorer la nature chimique et le nombre des points actifs et découvrir ce qu'il advient des atonies et molécules individuels lorsqu'ils réagissent sur le catalyseur. Bien qu'on puisse appliquer la méthode précitée à des systèmes de réaction catalytique à la fois “simples” et complexes, on limite la discussion à une revue des résultats obtenus (1) des réactions à “molécule unique”, telles qui l'isomérisation du cyclopropane et du butène et la déalcoylation sur des oxydes mélangés (silice et alumine ou silice et magnésie) et les zéolites, et (2) des réactions à “deux molécules”, telles que l'hydrogénation de l'éthylène sur le l'alumine. On traite aussi de certaines limitations qui affectent les réacteurs microcatalytiques.

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