Автор работы: Пользователь скрыл имя, 02 Марта 2014 в 19:24, реферат
Выбор катализатора для того или иного процесса определяется, в основном, технологическими и экономическими соображениями. Эффективный промышленный гетерогенный катализатор должен не только селективно катализировать выбранную реакцию – он должен быть механически прочным. Геометрическая форма катализатора должна обеспечить минимальное сопротивление в слое загрузки или равномерное распределение проходящей через него реакционной среды. И, наконец, его реакционная способность и механические свойства должны оставаться постоянными при длительной эксплуатации, в течение которой могут быть неоднократные пуски и остановки.
Введение
1. Основные характеристики промышленных катализаторов
3
2. Характеристика промышленных катализаторов
6
3. Промышленные методы получения катализаторов
8
3.1. Получение основного компонента катализатора осаждением гидроксидов
8
3.2. Получение катализаторов нанесением активного компонента на носитель
10
Контрольные вопросы
Тестовые задания
Список использованной литературы
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Факультет химических технологий и естествознания
Кафедра химии и химических технологий
По дисциплине ______________________________
Тема ______________________________
______________________________
__________
(оценка)
Руководитель ______________________________
(должность, ученая степень)
______________________________
(инициалы, фамилия)
(подпись) (дата)
2013
Содержание
Введение |
||
1. Основные характеристики промышленных катализаторов |
3 | |
2. Характеристика промышленных катализаторов |
6 | |
3. Промышленные методы получения катализаторов |
8 | |
3.1. Получение основного компонента катализатора осаждением гидроксидов |
8 | |
3.2. Получение катализаторов нанесением активного компонента на носитель |
10 | |
Контрольные вопросы |
||
Тестовые задания |
||
Список использованной литературы |
||
Введение
Выбор катализатора для того или иного процесса определяется, в основном, технологическими и экономическими соображениями. Эффективный промышленный гетерогенный катализатор должен не только селективно катализировать выбранную реакцию – он должен быть механически прочным. Геометрическая форма катализатора должна обеспечить минимальное сопротивление в слое загрузки или равномерное распределение проходящей через него реакционной среды. И, наконец, его реакционная способность и механические свойства должны оставаться постоянными при длительной эксплуатации, в течение которой могут быть неоднократные пуски и остановки.
1. Основные
характеристики промышленных
Основные параметры, характеризующие работу промышленного катализатора: интенсивность, избирательность, температура зажигания, термостойкость, теплопроводность, прочность, износоустойчивость, стойкость, удельная поверхность, стоимость.
Высокая интенсивность работы (активность) катализатора достигается определенным сочетанием химического и минералогического составов катализатора, а также оптимальной пористой его структурой. Она зависит также от технологических параметров процесса.
Каталитическую активность единицы объема катализатора можно выразить произведением трех величин:
где а - удельная каталитическая активность;
s - полная поверхность катализатора в
единице объема;
- степень использования катализатора.
Поверхность единицы объема катализатора
определяется размером частиц (глобул),
из которых слагается зерно катализатора,
и плотностью их расположения. При уменьшении
размера глобул активность единицы объема
катализатора растет только в области
относительно крупных глобул. При дальнейшем
уменьшении их размера на активность начинает
влиять внутренняя диффузия, которая осуществляется
вначале по молекулярному закону, а далее
переходит в область Кнудсена.
Дальнейшее увеличение активности возможно
при переходе к бидисперсным структурам,
состоящим из мелких плотных частиц, соединенных
в более крупные пористые частицы.
Схематическое изображение моно- и бидисперсной структур зерен катализатора
Переход к бидисперсным структурам позволяет увеличить активность в 5-8 раз. Для нанесенных катализаторов, в которых пористая структура образуется носителем, дисперсность активного компонента не влияет на скорость диффузии и его целесообразно располагать на поверхности носителя в форме, образующей максимальную поверхность.
Избирательность (селективность) действия катализатора имеет весьма большое значение для большинства каталитических процессов органической технологии, в которых термодинамически возможен ряд параллельных, последовательных реакций. Выход необходимого (целевого) продукта повышают не только подбором наиболее селективного катализатора, но и регулированием других параметров технологического режима.
Селективность реакции также зависит от пористой структуры. При параллельных реакциях диффузионное торможение может как снижать, так и повышать селективность. Так, например, если основная реакция имеет первый порядок, а вредная побочная реакция - второй, то в области внутренней диффузии наряду с уменьшением общей скорости будет возрастать селективность.
При последовательных реакциях, когда полезный продукт является промежуточным, диффузионное торможение всегда снижает селективность.
Относительное изменение необходимого количества катализатора g (1) и гидравлического сопротивления слоя катализатора (2) с ростом параметра
Селективность катализатора применяется в таких химико – технологических процессах как окисление аммиака в производстве азотной кислоты, различных процессах органического синтеза. Используя катализаторы, становится возможным получать из общего сырья различные целевые продукты, например:
Температура зажигания – минимальная температура, при которой катализатор имеет активность достаточную для автотермической работы в промышленных условиях. Она в значительной степени определяет ценность катализатора. Для адиабатических экзотермических процессов понижение температуры зажигания, кроме экономии энергии на подогрев поступающего газа, позволяет повысить выход продукта в данном слое катализатора. В реактор фильтрующего слоя нельзя подавать газ при температуре ниже температуры зажигания, так как это вызовет потерю автотермичности, постепенное охлаждение всего слоя и прекращение работы реактора. В эндотермических процессах температура на выходе из слоя катализатора должна быть выше температуры его зажигания.
Температура зажигания определяется активностью катализатора и концентрацией исходных реагентов. В процессе старения катализатора температура зажигания возрастает.
Термостойкость катализатора в течение длительного времени при температурах эксплуатации имеет особенно большое значение для реакторов с неподвижным слоем катализатора, где температура неизбежно меняется в значительных пределах. Режим кипящего слоя близок к изотермическому, но в этих условиях катализатор должен обладать соответствующей термостойкостью.
Теплопроводность зерен катализатора имеет большое значение, так как способствует выравниванию температуры в слое и уменьшению диапазона температур в адиабатических процессах. В процессах с большим тепловым эффектом желательно применять теплопроводный катализатор для устранения местных перегревов, приводящих к понижению выхода продукта, химическим потерям исходных веществ, понижению активности контактной массы. В эндотермических процессах крупнозернистый катализатор с низкой теплопроводностью может снизить активность.
Прочность зерен катализатора должна обеспечивать его эксплуатацию в промышленном реакторе в течение нескольких лет. В неподвижном слое катализатор теряет прочность вследствие изменения температур, эрозии газовым или жидкостным потоком реагентов, давления слоя вышележащих зерен, достигающего в трубчатых и шахтных реакторах высоты 5м. В реакторах с взвешенным слоем катализатора и с движущимся катализатором под прочностью понимают, прежде всего, износоустойчивость зерен при ударах и трении друг о друга, о стенки реактора и теплообменных элементов.
Износоустойчивость зерен для взвешенного слоя обеспечивается прочностью материала зерен, малой их плотностью, сфероидальностью, макрогладкой поверхностью, малыми размерами зерен.
Стойкость катализатора к действию возможных контактных ядов и стабильность в работе – один из важнейших критериев при сравнении различных катализаторов, пригодных для данной реакции.
Удельная поверхность твердых фаз катализатора должна быть такой, чтобы удовлетворить требованиям процесса. Необходимость высокой удельной поверхности непосредственно вытекает из того факта, что реакция катализируется на поверхности.
Малая стоимость катализатора – определяющий фактор, как для неподвижного, так и для взвешенного слоя, несмотря на то, что стоимость израсходованного катализатора (потери его) составляет, как правило, лишь незначительную часть себестоимости продукта. Снижение себестоимости катализатора достигается, в основном, заменой дорогостоящих платины, серебра и других металлов, входящих в состав контактной массы, менее активными, но и более дешевыми оксидами железа, хрома, ванадия и так далее.
Сложный химический состав обусловлен многочисленными требованиями, предъявляемыми к промышленным контактным массам. Катализаторы редко являются соединениями. Обычно они представляют собой смесь компонентов, дающих несколько кристаллических фаз. Такую смесь называют контактной массой, в ней одни вещества – собственно катализаторы, а другие служат модификаторами, активаторами или носителями. Введение в состав контактной массы небольших количеств добавок, улучшающих свойства катализаторов, называют модифицированием, а сами добавки модификаторами. Модификаторы служат, как правило, активаторами.
2. Характеристики промышленных катализаторов
Активаторы или промоторы – вещества, которые сами по себе могут быть неактивными для данной реакции, но сильно повышают активность собственно катализатора. Добавки увеличивают поверхность каталитически активного вещества или повышают теплостойкость контактной массы.
Активаторы могут не только селективно ускорять процесс, но действуют и защитно, подавляя рост кристаллов и скорость побочных реакций, приводящих к уменьшению поверхности катализатора и связанному с этим уменьшению активности. В некоторых случаях активаторы уменьшают прочность связи адсорбируемых реагентов с катализатором, облегчая перегруппировки и ускоряя каталитический процесс. В других случаях активаторы облегчают десорбцию продукта.
Носители (трегеры) – пористые термостойкие каталитически неактивные или малоактивные материалы, на которые осаждением, пропитыванием или другими методами наносят катализатор. При этом достигается тонкое диспергирование катализатора, экономия дорогих металлов, создаются большие удельные поверхности при размерах пор близких к оптимальным, увеличивается термостойкость. Носитель может взаимодействовать с собственно каталитическим веществом, повышая его активность. При выборе носителя следует учитывать:
1) химический состав и степень дисперсности носителя;
2) физические свойства поверхности;
3) количество и концентрацию активных веществ, которые могут быть распределены на поверхности;
4) активную поверхность носителя и величину отношения количества атомов катализатора к числу атомов носителя.
Требования высокой активности, наилучших гидродинамических свойств и продолжительности времени пробега диктуют ряд условий при создании структуры катализатора. Высокая активность катализатора достигается развитой удельной поверхностью и такой пористостью катализатора, при которой реагенты могли бы иметь доступ путем диффузии к внутренним поверхностям таблеток. В идеале катализатор, работа которого ограничивается внутридиффузионным торможением, обладает наивысшей активностью на единицу объема в рабочих условиях, если его пористость составляет около 50%. Высокая прочность и стабильность структуры катализатора зависят от прочности соединения его компонентов в структуру. Структура катализатора должна быть такова, чтобы он не разрушался и не спекался при эксплуатации. Наконец, главным требованием к хорошему промышленному катализатору является воспроизводимость его качества и относительно невысокая стоимость.