Технологические характеристики твердых катализаторов

Подбор катализаторов для проведения промышленных процес­сов — задача чрезвычайно сложная. Катализаторы очень специ­фичны по отношению к различным химическим реакциям. Суще­ствующие теории катализа объясняют эту специфичность рядом энергетических и геометрических факторов, в результате влияния которых данный катализатор воздействует на скорость только одной реакции или очень узкой группы реакций. Не всегда еще возможен строгий научный выбор конкретного катализатора для данного химико-технологического процесса, хотя теория катали­тических процессов в последние десятилетия получила значитель­ное развитие и характеризуется многими новыми достижениями.

Твердые катализаторы — это, как правило, высокопористые вещества с развитой внутренней поверхностью, характеризующиеся определенной пористой и кристаллической структурой, активнос­тью, селективностью и рядом других технологических характеристик.

Рассмотрим некоторые характеристики твердых катализаторов.

• Температура зажигания — это минимальная температура, при которой технологический процесс начинает идти с достаточной для практических целей скоростью.

• Селективностью или избирательностью катализатора называют его способность избирательно ускорять целевую реакцию при наличии нескольких побочных.

• Селективность зависит не только от выбранного катализатора, но и от условий проведения процесса, области протекания гетерогенно-каталитического процесса (кинетической, внешне- или внутреннедиффузионной) и т. д.

Пористая структура характеризуется размерами и формой пор, пористостью (отношением свободного объема пор к общему объему), удельной поверхностью катализатора

Распределение пор по размерам может оказаться таким, что часть поверхности катализатора окажется недоступной для реагирующих молекул большого размера и, кроме того, скорость превращения реагентов в конечные продукты может уменьшаться вследствие затруднения диффузии реагентов внутри пор.

Промотирование и отравление катализаторов. Часто введение очень небольшого количества (долей процента) какой-либо посторонней добавки к. основному катализатору приводит либо к резкому повышению его активности, либо, наоборот, к снижению активности на несколько порядков. В первом случае говорят о промотировании, во втором — об отравлении катализатора

Добавки могут вступать с основным катализатором в химическое взаимодействие, образуя на поверхности продукты, обладающие более высокой каталитической активностью. Они могут изменить условия взаимодействия с реагентами в местах контакта основного компонента и промотора, а также увеличить дисперсность или стабилизировать пористую и кристаллическую структуру катализатора

1-я стадия - д иффузия реагента к внешней поверхности катализатора. Эта стадия назвается стадией внешней диффузии

2-я стадия - диффузия внутри пор катализатора (стадия внутренней диффузии).

3-я стадия – адсорбция. Различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. При хемосорбции молекулы адсорбата образуют поверхностные соединения с адсорбентом.

4-я стадия - химическая реакция, механизм этой реакции может быть различным, от него зависит вид кинетического уравнения. В результате поверхностной реакции образуется адсорбированный продукт.

5-я стадия - десорбция продукта с поверхности катализатора.

6-я стадия. - диффузия из пор к внешней поверхности катализатора

7-я стадия. - диффузия от поверхности катализатора

Стадии 3, 4, 5 являются центральными в ходе каталитического процесса. Суммарно их можно рассматривать как поверхностную химическую реакцию. Эти стадии могут протекать одновременно с предыдущими — диффузионными — стадиями, причем как на внешней поверхности зерна катализатора, так и, в основном, на внутренней поверхности пор.

6-я стадия. Десорбированные газообразные продукты диффун­дируют из пор к внешней поверхности катализатора (обратная внутренняя диффузия).

7-я стадия. Газообразные продукты диффундируют от поверх­ности катализатора в тазовый поток через пограничную пленку, окружающую зерно катализатора.

Таким образом, гетерогенно-каталитический процесс — это сложная система последовательных и параллельных стадий, име­ющих разную природу. Как и в случае некаталитического гетеро­генного процесса, одна из стадий может оказывать наиболее силь­ное тормозящее воздействие на весь процесс, тогда скорости остальных стадий «подстраиваются» под скорость этой наиболее затрудненной стадии, которая может быть названа лимитирующей.

Влияние массопередачи через газовую фазу. Исходные реагенты до адсорбции и продукты реакции после десорбции должны транс­портироваться из газового потока к поверхности катализатора или от нее в газовый поток. Если реакция происходит в проточной системе, скорость газа обычно достаточно велика, чтобы массопе-редача происходила по механизму турбулентной диффузии. При этом общая скорость процесса не зависит или зависит слабо от скорости внешней диффузии. При нетурбулентном течении газа скорость массопередачи может быть относительно низкой, воз­можно внешнедиффузионное торможение каталитической реак­ции, нежелательное при проведении процесса в промышленном реакторе.

Каталитический процесс протекает во внешнедиффузионной области при большом диаметре зерен катализатора, малой линей­ной скорости газа относительно катализатора и очень высоких тем­пературах.

При этом концентрация реагентов с_Д5 и продуктов с_Кк у внеш­ней поверхности катализатора резко отличается от концентраций

в газовом потоке.

Внешнедиффузионное торможение каталитической реакции нежелательно в промышленном реакторе.При этом концентрация реагентов и продуктов у внешней поверхности катализатора резко отличается от концентрации в объеме реакционной смеси