 |
Катализ. Типы важнейших каталитических процессов. Свойства твердых катализаторов. Промышленные контактные массы и аппараты.
|
|
|
|
В химической промышленности и смежных с ней отраслях (нефтехимия и др.) более 90 % существующих и вновь вводимых технологий представляют каталитические процессы. Использование катализаторов позволяет интенсифицировать химико-технологические процессы, осуществлять превращения, которые не могут быть реализованы на практике без катализатора вследствие весьма высокой энергии активации, направлять процесс в нужную сторону, регулировать структуру и свойства производимых продуктов. Катализатор влияет только на скорость химической реакции и не влияет на термодинамику, лишь ускоряя достижение состоянии равновесия.
Каталитические процессы подразделяются на:
- гомогенные, в которых реагирующие вещества и катализатор составляет одну фазу;
- гетерогенные, в которых реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах;
- ферментативные, протекающие в биологических системах под воздействием ферментов;
- микрогетерогенные, протекающие в жидкой фазе с участием катализаторов в коллоидном состоянии.
В химической промышленности наиболее распространены гетерогенные каталитические процессы, в которой границей раздела фаз является поверхность твердого катализатора, находящегося в контакте с газообразной или жидкой фазой.
В химико-технологических процессах применяют не индивидуальные каталитически активные вещества, а контактные массы, представляющие сложные системы, состав и природа компонентов которых должны обеспечить наиболее эффективное и устойчивое протекание каталитического процесса. Контактная масса состоит из каталитически активного вещества (катализатора), активатора и носителя.
Природа гетерогенных катализаторов весьма разнообразна и зависит от типа катализируемых реакций. В качестве катализаторов используют, главным образом, металлы в свободном состоянии (платина, серебро, медь, железо) и оксиды металлов (цинка, хрома, алюминия, молибдена, ванадия). В тех случаях, когда в системе одновременно протекают две реакции, катализируемых различными веществами, применяют бифункциональные катализаторы, состоящие из двух соответствующих компонентов (оксид цинка и оксид алюминия в процессе дегидратации и дегидрирования этанола до бутадиена).
|
|
|
Активатором (промотором) называется вещество, вводимое в контактную массу для повышения активности катализатора и увеличение срока его действия. Активаторы обладают избирательным действием, поэтому природа зависит от природы катализатора.
Носителем (трегером) называется материал, на который наносят катализатор с целью увеличения его поверхности, придания массе пористой структуры, повышения её механической прочности и снижения себестоимости контактной массы. В качестве носителей в контактных массах используются пемза, асбест, силикагель, кизельгур, пористая керамика.
Контактные массы изготовляются методами:
-осаждения гидроокисей и карбонатов из растворов солей с последующим формированием и прокаливанием;
- совместным прессованием смеси компонентов с вяжущим веществом;
- сплавлением компонентов;
- пропиткой пористого носителя растворами катализатора и активатора.
Контактные массы формируют в виде гранул, таблеток или элементов различной конфигурации. Металлические катализаторы изготавливают и применяют в виде тонких сеток.
Свойства твердых катализаторов: активность, температура зажигания, селективность действия, устойчивость к ядам, пористость, механическая прочность, теплопроводность, доступность и дешевизна.
1. Активность катализатора называется мера ускоряющего воздействия его по отношению к данной химической реакции. Она определяется как отношение констант скоростей каталитической и некаталитической реакций.
|
|
|
2. Температурой зажигания катализатора называется минимальная температура, при которой процесс начинает протекать с достаточной для технологических целей скоростью. Чем выше активность катализатора, тем ниже температура его зажигания.
3. Селективность (избирательность) катализатора называется его способность избирательно ускорять одну из реакций, если в системе термодинамически возможно протекание нескольких реакций. Имеют большое значение: окисление аммиака в производстве азотной кислоты, различных процессах органического синтеза.
4. Пористость катализатора характеризует его удельную поверхность, влияет на поверхность контакта катализатора с реагентами. Чем больше поверхность контакта, тем выше скорость превращения веществ в целевые продукты в единицу времени.
5. Механическая прочность контактной массы должна быть такой, чтобы она не разрушилась под действием собственного веса в аппаратах с неподвижным слоем катализатора и неистиралась в аппаратах с движущимся слоем катализатора.
6. Устойчивость к контактным ядам. Отравление катализатора называется частичная или полная потеря его активности под воздействием незначительного количества некоторых веществ – контактных ядов.
Устройство контактных аппаратов.
Химические реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов называются контактными аппаратами.
1. Контактные аппараты с неподвижным слоем катализатора: контактная масса в них размещена в несколько слоев на полках (полочные аппараты) или в трубах (трубчатые аппараты). Комбинация контактного аппарата с устройствами для отвода или подвода тепла называется контактным узлом. Недостатки: низкая производительность катализатора, трудность поддержания оптимального теплового режима, сложность конструкции, необходимость остановки контактного аппарата для замены отработанного катализатора.
2. Контактные аппараты с движущимся слоем катализатора. В них катализатор распыляется в движущемся потоке газа или жидкости и переносится вместе с ним. При этом для обеспечения противотока газ поступает в аппарат снизу, а катализатор сверху.
|
|
|
3. Контактные аппараты с псевдоожиженным слоем катализатора - контактный аппарат сопряжен с регенератором катализатора. Катализатор быстро теряет активность и требует непрерывной регенерации. Преимущества: возможность подачи реагентов с температурой ниже температуры зажигания катализатора; легкость регенерации и замена катализатора; оптимальный температурный режим работы аппарата; более полное использование внутренней поверхности зерен катализатора и, как следствие, высокая производительность его. Недостатки: быстрое истирание зерен катализатора и загрязнение продуктов реакции катализаторной пылью.
Рисунки уч. Соколова – рис. 11.1, 11.2, 11.3.
|
|
|
