загрузка...
загрузка...
На головну

Особливості протікання гетерогенно-каталітичних процесів

  1. I. Особливості хірургії дитячого віку
  2. I. Особливості експлуатації родовищ
  3. II. Об'єктивні методи дослідження органів дихання. Особливості загального огляду. Місцевий огляд грудної клітки.
  4. II. Об'єктивні методи дослідження ендокринної системи. Особливості загального огляду.
  5. II.6.3) Особливості категорії юридичної особи.
  6. II.Об'ектівние методи дослідження органів жовчовиділення і підшлункової залози. Особливості загального огляду. Місцевий огляд живота. Діагностичне значення результатів огляду.
  7. II.Об'ектівние методи дослідження органів кровообігу. Особливості загального огляду. Місцевий огляд області серця і великих кровоносних судин.

Гетерогенний каталіз грає вирішальну роль в багатьох галузях хімічної та нафтохімічної промисловості. Тому технолог постійно зустрічається з проблемами гетерогенного каталізу.

При гетерогенному каталізі каталізатор і реагенти знаходяться в різних фазах, і реакція протікає на поверхні розділу цих фаз. Найбільше практичне значення мають каталітичні процеси при взаємодії газоподібних або рідких реагентів з твердими каталізаторами.

Для гетерогенного каталітичного процесу прискорює дію каталізатора можна пояснити наступним чином. Молекули речовини в газоподібному стані знаходяться в безперервному поступальному і хаотичному русі. Стикаючись один з одним, окремі молекули змінюють швидкість свого руху і в обсязі газу рухаються з різною швидкістю -від дуже великий до дуже малої. У ряді випадків молекули в газовій суміші не володіють необхідною енергією руху, щоб при зіткненні подолати сили, що перешкоджають їх хімічної взаємодії. Тому реакція між цими газами буде протікати дуже повільно. Підвищенням температури можна збільшити число молекул, що володіють високою енергією руху, і таким чином підвищити швидкість реакції між ними, а й цього іноді буває недостатньо. Про таких газових реакціях говорять, що енергія активації у них дуже висока, тобто для реакції між такими газами необхідна велика енергія для подолання сил взаємного відштовхування молекул і ослаблення зв'язків всередині молекул. Каталізатор знижує енергію активації даної реакції.

Схематично це можна представить у такий спосіб. У газовій фазі взаємодіють дві молекули А і В, утворюючи нову речовину АВ по реакції А + В = АВ. Енергія активації цієї реакції висока, тому вона протікає дуже повільно. Якщо застосувати каталізатор, то реакція піде іншим шляхом: А + В + К > АК + В > АВ + К, де К - каталізатор.

З наведеної схеми видно, що спочатку каталізатор вступив в з'єднання і утворив з молекулою А проміжне з'єднання АК, після цього друга реагує молекула У з'єдналася з А і утворилося речовини АВ. Каталізатор після реакції знову звільняється. За такого перебігу реакції енергія активації зменшується, а швидкість реакції збільшується.

Існують і застосовуються речовини, що уповільнюють, які гальмують хімічні реакції - антикаталізатором і інгібітори. Це явище іноді називають антікаталізом.

Як приклади гетерогенно-каталітичних процесів можна навести: крекінг вуглеводнів на алюмосилікатних каталізаторах; синтез спиртів гидратацией олефінів на магнійсілікатних каталізаторах; окислення оксиду сірки (4) в оксид сірки (6) на ванадієвих каталізаторів окислення аміаку в оксиди азоту на платино-родієвим каталізаторах; окислення метанолу в формальдегід на срібних каталізаторах; синтез аміаку на залізовмісних каталізаторах; синтез метанолу на цінкмедних каталізаторах і ін.

Різні каталізатори можуть прискорювати тільки одну реакцію або групу реакцій, а також реакції різних типів, тобто каталізатори, мають або індивідуальною специфічністю або груповий специфічністю. виборчий каталіз - Це каталіз, при якому каталізатори можуть прискорювати тільки одну цільову реакцію з декількох можливих.

З одних і тих самих вихідних речовин в ряді випадків можна отримати різні продукти через протікання декількох паралельних реакцій. Вибірковість (селективність) деяких каталізаторів дозволяє сильно прискорювати з ряду можливих тільки одну реакцію, проводити процес при зниженій температурі, пригнічуючи, таким чином, інші реакції. Застосовуючи різні виборчі каталізатори, можна з одних і тих самих вихідних речовин отримати різні задані продукти. Так, з окису вуглецю і водню можна отримає в залежності від застосовуваного каталізатора такі продукти:

Вихідні речовини Каталізатор Отримувані продукти

mСО + NН2 Мідний або цинко-хромовий метанол

парафіни лужної метан і вода

олефіни залізний і кобальтові изобутан і

алюміній + торій ізопропан

цинк + торій

автокаталитически називаються хімічні реакції, в яких каталізатором є один з проміжних або кінцевих продуктів реакції. Так, в ланцюгових реакціях автокатализаторов є вільні радикали. До числа автокаталитических відносяться деякі реакції розкладання вибухових речовин, горіння, полімеризації.

Загальна швидкість гетерогенного каталітичного процесу визначається відносними швидкостями окремих стадій і може лімітувати найбільш повільної з них. Швидкості окремих стадій визначаються в свою чергу параметрами технологічного режиму. При наявності каталізатора певної активності найбільше практичне значення має температурний режим каталітичних процесів. Вихід продукту ендотермічної реакції безперервно збільшується з підвищенням температури. Типовим прикладом ендотермічної реакції може служити взаємодія метану з водяною парою на нікелевому каталізаторі

СН4 + Н2О = СО + 3Н2 -Q

Для досягнення максимальних швидкостей процесу і ступеня перетворення в Ендотермічний процесі слід максимально підвищувати температуру.

Для оборотних екзотермічніреакцій з підвищенням температури рівноважний вихід продукту безперервно зменшується, а дійсний вихід збільшується при низьких температурах і зменшується при високих, проходячи через максимум при оптимальній температурі. Абсолютне значення максимального виходу і відповідне йому значення оптимальної температури змінюються в залежності від активності каталізатора, концентрації реагуючих речовин і інших умов процесу, але оптимальна температура завжди знижується зі збільшенням ступеня перетворення. Підвищення концентрацій реагентів і тиску змінюють не тільки дійсний, але і рівноважний вихід, а також температуру запалювання. Ці закономірності справедливі для всіх оборотних екзотермічних газових реакцій.

Застосування тиску є одним із прийомів підвищення виходу при промисловому здійсненні оборотних каталітичних реакцій, що йдуть зі зменшенням обсягу газоподібних продуктів. Тиск стає вирішальним фактором, коли активність каталізатора і рівноважний вихід продукту невеликі, наприклад, в таких процесах як синтез аміаку і метанолу. Для деяких реакцій, що протікають із значним збільшенням обсягу газоподібних продуктів, сприятливим чинником, що підвищує рівноважний вихід, є зниження тиску.

Практичне поведінку промислових каталізаторів пов'язано з основними їх технологічними характеристиками: активністю, продуктивністю, температурою запалювання, селективність (вибіркову дію), зносостійкість, отравляемостью і т.п. Основною характеристикою каталізаторів служить їх активність, тобто міра прискорює дії каталізатора по відношенню до даної реакції. Чим активніше каталізатор, тим при відносно меншій температурі можна вести процес, що дає значні переваги, як економічні, так і технологічні. Від активності твердих каталізаторів залежить їх температура запалювання, Тобто та мінімальна температура реагуючих речовин, при якій каталізатор «працює», тобто збільшує швидкість реакції в достатній для практики міру.

час контактування (Зіткнення) реагуючих речовин з каталізатором - важлива технологічна характеристика каталітичного процесу, яка дозволяє проводити розрахунок реакційних апаратів. Час контактування визначається

? = vк / V (1.4.7)

де vк - Вільний об'єм каталізатора, м3,  V - об'єм реагуючої суміші, що проходить через каталізатор, м3/ Сек.

Вплив часу контактування ? (або об'ємної швидкості газу зворотного ?) однотипно для багатьох каталітичних процесів. Зі збільшенням часу контактування вихід продукту оборотної каталітичної реакції зростає, інтенсивність ж роботи контактного апарату G / ? падає. Чим активніше каталізатор, тим менше час контакту, необхідне для досягнення заданого виходу продукту.

термостійкість каталізаторів визначає можливість стабільної роботи при високих температурах. Висока термостійкість особливо важлива при проведенні сильно екзотермічних процесів. При високих температурах можуть відбуватися процеси утворення неактивних кристалів, процеси спікання, що призводять до зменшення внутрішньої поверхні контакту.

Найважливішим параметром технологічного режиму, специфічним для гетерогенних каталітичних процесів, є чистота надходить в контактний апарат реакційної суміші, точніше відсутність в ній домішок речовин, отруйних каталізатор.

отруєння каталізатора - Це часткова або повна втрата активності в результаті впливу невеликої кількості речовин, які називаються контактними отрутами. Контактні отрути зазвичай надходять у вигляді домішок до вихідних реагентів. Втрата активності відбувається внаслідок часткового або повного виключення активної поверхні каталізатора. Отруєння може бути оборотним і необоротним. При оборотному отруєнні активність каталізатора знижується лише на час присутності отрут в надходить суміші. При надходженні чистої суміші сполуки отрути з каталізатором розкладаються, адсорбований отрута випаровується і відганяється разом з продуктами реакції. Необоротне отруєння є постійним, отруєний каталізатор вивантажують з апарату і замінюють новим або ж регенерують екстракцією отрути або каталізатора з контактної маси. Найбільш чутливі до отрути металеві каталізатори, особливо благородні метали. Для запобігання каталізаторів від отруєння реакційна суміш попередньо очищається від контактних отрут. При цьому застосовуються методи абсорбції отрут з газових сумішей виборчими розчинниками, сорбції їх твердими поглиначами, конденсації і уловлювання крапель в електрофільтрах і т.п.

Крім отруєння активність може падати внаслідок зменшення активної поверхні при підвищених температурах, через рекристалізації, спікання кристалів, при механічному екранування поверхні каталізатора домішками або твердими речовинами, що утворюються при каталізі.

міцність каталізатора повинна забезпечувати його експлуатацію протягом тривалого часу. Він не повинен руйнуватися при завантаженні, вивантаженні, транспортуванні трубопроводами.

Каталітичні властивості каталізаторів визначаються не тільки їх хімічної природою, а й способом їх виготовлення. Великий вплив на активність робить величина і характер робочої поверхні каталізатора, і пористість його зерен. Каталізатори в гетерогенному каталізі, як правило, мають високорозвинену поверхню. Поверхня залізного каталізатора синтезу аміаку близько 10 м2/ Г. Є каталізатори, які мають поверхню до 400 м2/ Г. Швидкість каталітичного процесу і продуктивність каталізатора G / ?, тобто кількість продукту в одиницю часу з одиниці об'єму каталізатора, зростають зі збільшенням питомої поверхні останнього. У багатьох випадках внутрішня поверхня каталізатора в сотні разів перевершує зовнішню поверхню зерен.

Підвищення активності одиниці поверхні каталізатора досягається шляхом правильного вибору складу каталізатора або, як їх часто називають, контактних мас. Контактні маси зазвичай не є індивідуальними речовинами, а представляють суміш власне каталітично активних сполук з активаторами, тим або іншим способом нанесену на носії. Активатори або промотори - це речовини, що підвищують активність основної речовини - каталізатора. При цьому самі активатори можуть не мати каталітичними властивостями. Механізм активує дії промоторів складний і різноманітний. Носіями або трегера називають інертні речовини, на які наносять каталитически активні сполуки або промотори. Як правило, це пористі речовини з досить високою термостійкістю Прикладами носіїв можуть служити пемза, каолін, азбест, силикагели, кераміка тощо У пористих каталізаторах висока питома поверхня забезпечується пористою структурою носія.

Основні методи виготовлення каталізаторів:

1. Осадження гідроксидів або карбонатів з розчинів їх солей з подальшим формуванням і термообробкою контактної маси (обложені каталізатори).

2. Змішування порошкоподібних каталітично активних речовин, промоторів, носіїв і сполучних з наступним пресуванням і термообробкою (змішані каталізатори).

3. Сплавлення кількох оксидів з наступним відновленням металів з оксидів (плавлені каталізатори). Іноді після сплаву одне з речовин видаляють шляхом вилуговування (скелетні каталізатори).

4. Просочення пористого носія розчином, що містить солі активних елементів, з їх подальшою сушкою і термообробкою (нанесення каталізатори).

5. Каталізатори випускають у вигляді таблеток, кілець, кульок, циліндричних гранул, сіток і ін.



Попередня   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   Наступна

Хімічна промисловість | Хімічна технологія | Перспективи розвитку хімічної технології | хімічна сировина | Повітря і вода в хімічній промисловості | Поняття про хіміко-технологічному процесі | Рівні аналізу, опису та розрахунку ХТП. | Основні показники хіміко-технологічного процесу | Характеристика гомогенних процесів | Гомогенні процеси в рідкій фазі |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати