Каталитические процессы Гетерогенно- каталитические процессы Кинетика гетерогенно- каталитических процессов Реакторы для гетерогенно- каталитических процессов. - презентация

1 Каталитические процессы Гетерогенно- каталитические процессы Кинетика гетерогенно- каталитических процессов Реакторы для гетерогенно- каталитических процессов

2 Катализаторы могут находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. По фазовому состоянию реагентов и катали­затора каталитические процессы разделяют на две основные группы: - гомогенные микрогетерогенные - Гетерогенные ферментативные ГЕТЕРОГЕННО– КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Катализом называют изменение скорости химических реакций в результате воздействия веществ катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но восстанавливают свой химический состав по окончании каталитического акта.

3 ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

4 Действие катализаторов не влияет на равновесие, а лишь ускоряет достижение равновесия при данной температуре. Сущность катализа одинакова для всех его видов, в частности для гомогенного и гетерогенного. Все каталитические реакции по типу взаимодействия между реагентами и катализатором делят на окислительно-восстановительные и кислотно-основные. Окислительно-восстановительный механизм катализа связан с переносом электронов между реагентами и катализатором, который облегчает электронные переходы в реагирующих молекулах. По этому принципу происходят процессы окисления, дегидрирования, конверсии углеводородов, синтез аммиака, метанола и др. Механизм кислотно-основного катализа заключается в переносе положительно заряженного иона, например протона, или отрицательного иона, например гидроксила, между катализатором и реагентами, в результате чего происходят внутримолекулярные превращения, облегчающие взаимодействия исходных веществ. По такому типу протекают реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, этерификации, поликонденсации в растворах и др.

5 ГЕТЕРОГЕННО– КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Основные требования к катализаторам Выбор катализатора для того или иного процесса определяется в основном технологическими и экономическими соображениями. Катализаторы должны иметь высокую активность, избирательность, низкую температуру зажигания, быть стабильными в работе, малочувствительными к перегреву, к действию контактных ядов, иметь достаточную механическую прочность. При сравнении различных катализаторов для одного процесса используют понятие «активность» катализатора. Активность катализатора это мера ускоряющего действия его на данную реакцию. Наиболее часто активность выражают разностью или соотношением скоростей каталитической и некаталитической реакций, степенью превращения исходного реагента или выходом целевого продукта при определенном технологическом режиме. Иногда активность представляют соотношением констант скоростей каталитической и некаталитической реакций или отношением энергий активации. Избирательность (селективность) действия катализаторов важна для большинства каталитических процессов органической технологии, в которых термодинамически возможен ряд параллельных и последовательных реакций. Избирательность некоторых катализаторов позволяет сильно ускорять только одну реакцию из ряда возможных, проводить процесс при такой температуре, при которой подавляются другие реакции.

6 ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Температура зажигания это минимальная температура, при которой процесс начинает идти с достаточной для практических целей скоростью. Термостойкость катализаторов определяет возможность стабильной работы при высоких температурах. Высокая термостойкость особенно важна при проведении сильно экзотермических процессов. При высоких температурах могут происходить процессы образования неактивных кристаллов, процессы спекания, приводящие к уменьшению внутренней поверхности контакта. Стойкость катализатора к действию контактных ядов важнейшая характеристика, определяющая возможность отравления катализатора. Отравление катализатора это частичная или полная потеря активности под действием небольшого коли­чества веществ, называемых контактными ядами. Отравление бывает обратимым и необратимым. При обратимом отравлении активность катализатора постепенно восстанавливается. При необратимом отравлении активность восстановить не удается. С целью удлинения срока службы катализатора предусматривают тщательную очистку реагирующих веществ от примесей, являющихся каталитическими ядами. В ряде случаев катализатор отравляется побочными продуктами реакции. Механическая прочность контактной массы должна быть такой, чтобы она не разрушалась под действием собственного веса в аппаратах с неподвижным слоем катализатора и не истиралась в аппаратах с движущимся слоем катализатора и аппаратах «КС».

7 ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Теплопроводность катализатора является важной характеристикой, т.к. способствует выравниванию температуры в слое контактной массы. При проведении экзотермических процессов катализатор с высокой теплопроводностью применяют для устранения местных перегревов, приводящих к снижению выхода продукта, степени использования сырья, активности контактной массы вследствие спекания или изменения кристаллической структуры и др. В эндотермических процессах крупнозернистый катализатор с низкой теплопроводностью может быть менее активным вследствие снижения температуры в глубине зерна, капиллярной конденсации паров реагентов в порах и др. Повышенная теплопроводность зерен особенно важна для контактных аппаратов с отводом или подводом тепла непосредственно от слоя катализатора. Прочность зерен катализатора. Данное свойство должно обеспечивать эксплуатацию катализатора в течение длительного времени. В неподвижном слое катализатор разрушается вследствие изменения температур, эрозии газовым или жидкостным потоком реагентов, давления слоя вышележащих зерен, высота которого в контактных аппаратах может достигать 5 м. В реакторах с псевдоожиженным или движущимся слоем катализатора под прочностью понимают прежде всего износоустойчивость зерен при ударах и трении их друг о друга, о стенки реактора и теплообменных элементов. Стоимость катализатора – определяющий фактор при его эксплуатации. Объемная скорость подачи сырья, стабильность работы, регенерируемость

8 КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННО–КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Для кинетического моделирования этого сложного превращения его необходимо представить как результат суперпозиции нескольких элементарных процессов: Диффузия реагента из объёма к поверхности катализатора (массоперенос ). Адсорбция реагента на поверхности катализатора. Разрыв связей адсорбированных молекул. Химическое превращение реагента в продукт на поверхности катализатора. Десорбция продукта с поверхности катализатора. Диффузия продукта от поверхности катализатора в объём (массоперенос). Создание новых связей, формирование адсорбированных молекул продукта.

9 КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННО- КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Каталитические процессы как частный случай гетерогенных ХТП в зависимости от технологических условий могут протекать в диффузионных и кинетических областях. В присутствии катализатора К бимолекулярная гомогенная реакция А + В = С + … протекает по следующей схеме: 1) образование промежуточного соединения АК А + К = АК; 2) образование активированного комплекса АК + В = (АВ')К; 3) образование конечных продуктов и регенерация катализатора (АВ')К = К + С + …. Если переход от активированного комплекса в отсутствие катализатора к активированному комплексу, возникающему в ходе каталитического процесса, является экзотермическим, т. е. АВ' + К = (АВ')К, Н < 0,

10 КИНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННО–КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

11 ГЕТЕРОГЕННО–КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

12 Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов

13