Технологическая характеристика твердого катализатора

Эффективность использования катализатора в промыш-ти зависит от его характеристик:

-от активности;

-температуры застывания;

-селективности;

-механической прочности;

-теплопроводности;

-пористости;

-устойчивости к ядам;

-доступности и дешевизны.

1)активность кат-ра – это мера ускоряющего воздействия по отношению к данной р-ии. Продолжительность жизни кат-ра можно условно разделить на 3 периода:

1 период: от 0 до τ₁ – активация или разработка кат-ра. На данном периоде происходит окончательное формирование физико-химических свойств, а иногда и хим-их св-в и состава продуктов. Активацию обычно проводят путем постепенного разогрева кат-ра до температуры р-ии.

2 период: τ₁ до τ₂. рабочий стационарный период работы характериз-ся постоянной активностью кат-ра.

3 период: от τ₂ до ∞: происходит дезактивация кат-ра, связана с изменением его пов-ти.

Дезактивация может быть вызвана либо утомлением либо старением кат-ра. Старение его – это естественный процесс при котором активность кат-ра уменьш-ся равномерно по всему слою; в свою очередь утомление – неравномерное падение активности кат-ра, яв-ся опасным процессом поскольку прояв-ся задолго до истечения срока жизни кат-ра вследствии неправильной эксплуатации.

2)температура зажигания – это минимальная температура реагирующей смеси при которой процесс начинает протекать с достаточной для практических целей скоростью, обеспечивая заданную производительность. Чем выше активность кат-ра, тем ниже температура его зажигания. Понятие зажигание означает, что при возрастании температуры выше предельной происходит резкое скачкообразное увеличение скорости р-ии.

При понижении температуры зажигания облегчается оформление каталитического процесса, так как расшир-ся рабочий интервал температур, упрщается конструкция реактора, уменьшается предварительный нагрев реагентов и становится устойчивее технологический режим.

3)селективность или избирательность кат-ра – это способность избирательно ускорять целевую р-ию при наличии нескольких побочных. На селективность влияют несколько факторов:

-структура пов-ти кат-ра;

-природа и структура носителя;

-происхождение сырья.

Промыш-ый кат-р должен обладать достаточной гибкостью и перерабатывать широкий ассортимент сырья без потери селективности.

4)пористая и кристаллическая структура кат-ра.

Важным св-вом кат-ра яв-ся его пористая структура, которая характер-ся формой и размерами пор, пористостью(это отношение свободного объема пор к общему объему) и характериз-ся удельной пов-ю кат-ра.

При выборе твердого кат-ра важную роль играет доступность пов-ти кат-ра для реагирующих газов.

Чем больше для каждого данного кат-ра пов-ть, доступная для реагирующих газов, тем выше скорость расходования реагентов в единицу времени при использовании того же кол-ва кат-ра.

В качестве катализ-ов стараются применять природные или искусственные высоко-пористые адсорбенты(алюмосиликаты, цеолиты, силикагель, активированный уголь). Эти в-ва используют как носитель на пов-ть которых наносят активный компонент.

На ряду с пористой структурой большое значение имеет кристаллическая структура кат-ра. Различные кристаллич-ие модификации одного и того же в-ва могут обладать сильно-отличающейся каталитической активностью.

5)мех-ая прочность должна быть такой чтобы контактная масса не разрушалась под действием собственного веса в аппаратах с неподвижным слоем кат-ра и не истиралась в аппаратах с движущимся слоем кат-ра и в аппаратах с кипящим слоем кат-ра.

6)устойчивость контактным ядрам. Практическому применению гетерогенно-каталитических процессов препятствует снижение активности кат-ра в ходе процесса. Причинами этого яв-ся:

-уменьшение активной пов-ти при осаждении пыли или продуктов р-ии.

-мех-ое разрушение кат-ра

-отравление каталитическими или контактными ядрами

Отравление кат-ра – это полная или частичная потеря его активности под действием незначительного кол-ва контактных ядов. Контактные яды образуют с активными центрами кат-ра хим-ие соединения, которые удерживаясь на пов-ти блокируют активные центры в результате чего и снижается активность кат-ра. Для каждого конкретного кат-ра существуют определенные виды контактных ядов.

Отравление кат-ов может быть обратимым и необратимым. При обратимом отравлении контактные яды снижают активность кат-ра временно, пока они находятся в зоне р-ии. При необратимом активность кат-ра не восстанавливается даже после удаления их с зоны р-ии. Для удлинения срока службы кат-ра в промышленных условиях предусматривается стадии очистки реагентов от посторонних примесей и стадии регенерации кат-ра.

Гетерогенные кат-ры:

1.Переходные металлы групп 1(Cu, Ag) и 8(Fe, Ni, Co, Pt, Pd). Эти кат-ры использ-ся в процессе гидрирования(кроме серебра), а серебро и медь использ-ся в процессах окисления.

2.оксиды металлов переменной валентности – полупроводники(MgO, ZnO, CuO, Cr₂O₃, WO₃, MoO₃, V₂O₅) или смесь оксидов: хроматы(CuO∙7Cr₂O₃), молибдаты(Bi₂O₃∙72MoO₃), вольфраматы(CoO∙7Cr₂O₃). В состав таких кат-ов входят модификаторы, усиливающие определенные св-ва кат-ра. Кат-ры этой группы применяют в процессах гидрирования(хроматы), дегидрирования(оксид железа и оксид хрома) и окисление(молибдаты и ванадаты).

3.оксиды неметаллов(SiO₂), оксиды металлов(Al₂O₃), их нейтральные и кислые соли(Ca₃(PO₄)₂, CaHPO₄, MgHPO₄), в т.ч. природные и синтетические алюмосиликаты [(Al₂O₃)_m∙7(SiO₂)_n∙7(H₂O)_P] и цеолиты. Кат-ры этой группы яв-ся или изоляторами или ионными проводниками. Они катализируют р-ии кислотно-основного типа(крекинг нефти, дегидратация и гидрат).

4.кислоты или соли на носителе, которые взависимости от природы лсущ-ют кислотный или металлокомплексный катализ.

5.бифункциональные кат-ры. Они яв-ся комбинацией оксида металла или носителя кислотного типа с переходным металлом или его оксидом. Это кат-ры бифункционального действия для сложных р-ий, проходящих на различных реакционных центрах.

Механизм действия кат-ра.( энергетический уровень:I – исх.в-ва, II-продуктов р-ии; 1-путь р-ии без кат-ра, 2-путь каталитической р-ии).

Пусть протекает одностадийная р-ия с энергией активацией E₀. А+В=R. Ход этой р-ии на энергетической кривой изображен кривой 1. В присутствии кат-ра механизм р-ии меняется и она протекает через несколько стадий. Первой стадией яв-ся образование промежуточного активированного комплекса АК:А+К=АК. Затем активированный комплекс взаимодействует со вторым компонентом с образованием комплекса кат-ра и продукта.: АК+В=RK. Последней стадией яв-ся разложение комплекса с образованием продукта R и высвобождением кат-ра для нового каталитического комплекса: RK=R+K. каждый из этих последовательных стадий характериз-ся своими значениями энергии активации: Е₁, Е₂, Е₃, но высота каждого из этих потенциальных барьеров ниже энергии активации равным E₀. Таким образом в присутствии кат-ра, р-ия протекает по энергетически более выгодному пути, что позволяет ее проводить при большей скорости. Однако исходное и конечное состояния реакционной системы I и II в присутствии кат-ра и безнего одинаково. Следов-но роль кат-ра состоит в изменении скорости достижения состояния равновесия.