Промышленный катализ. Сущность и виды катализа

Катализ — явление возбуждения химических реакций вещества­ми—катализаторами. Катализатор многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой состав после каждого цикла промежуточного взаимодействия.

Суть каталитического действия заключается в следующем. Хими­ческое превращение протекает через образование активного комплек­са, обладающего неким количеством избыточной энергии достаточ­ной для перестройки участвующих в нем молекул и образования но­вых химических связей, т.е. получения новых веществ — продуктов ре­акции. Изменение энергии системы в ходе взаимодействия (по реак­ционному пути) показано кривой 1 на рис. 4.24.

Катализ является не только методом ускорения реакции, но и методом управления для направленного осуществления тех или иных превращений. Катализаторами могут быть элементарные вещества (металлы, ак­тивированный уголь), химические соединения (оксиды, сульфиды, хлориды), сложные комплексы и многоатомные молекулы, их смеси. Специфичность катализатора зависит как от его состава и строения, так и вида химической реакции.

Каталитические реакции можно классифицировать по разным признакам. Наиболее простая классификация основана на фазовом состоянии участников процесса и включает гомогенные, гетерогенные и микрогетерогенные каталитические реакции.

В гомогенной каталитической реакции (или гомогенном катализе) реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (напри­мер, жидкой или газовой).

В гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор на­ходятся в разных фазах (например, катализатор — в твердой, а реагиру­ющие вещества — в газовой или жидкой фазах).

Микрогетерогенный катализ занимает промежуточное место между гомогенным и гетерогенным, в котором в качестве катализатора ис­пользуют большие полимерные молекулы. Для взаимодействующих на них небольших молекул они подобны гетерогенным частицам, но об­разуют с реагентами одну физическую фазу. В эту группу входят ферментативные реакции, в которых катализатором являются крупные белковые молекулы сложного состава и строения (ферменты). Потому микрогетерогенный катализ называют также ферментативным.

Гомогенный и микрогетерогенный катализ — однофазные процес­сы, и к ним применимы закономерности, харак­терные для гомогенных и газожидкостных химических процессов.

Место протекания гетерогенной каталитической реакции — по­верхность твердого катализатора. Чтобы ее увеличить, используют по­ристые катализаторы, внутренняя площадь поверхности в которых до­стигает десятки и сотни квадратных метров в одном кубическом сан­тиметре, причем наружная поверхность такого тела менее 10^-3 м², т.е. в 10³—10⁵ раз меньше внутренней, и поэтому ее вклад в общую скорость превращения можно не учитывать. Сначала реагенты диффундируют из газового объема через пограничный слой к наружной поверхности частицы катализатора (этап I), затем проникают в его поры (этап II), при движении в кото­рых на их поверхности протекает реакция (этап III). Продукты удаля­ются обратным путем.

26. реакторы гомогенного и гетерогенного катализа

Реакторы для гомогенных процессов Для проведения гомогенных процессов используются емко­стные или трубчатые реакторы. Емкостные аппараты, подразделяющиеся на периодические и проточ­ные, снабжены мешалками различной конструкции. Особый тип мешалок при­меняется для перемешивания вязких жидкостей. Под­держание определенного температурного режима осуществляется че­рез рубашку аппарата, либо через поверхность встав­ленных теплообменников, имеющих форму змеевика. Каскад реакторы применяют в процессе сернокислотного алкилирования изобутана олефинами.

Реакторы для гетерогенно-каталитических процессов Для проведения гетерогенно каталитических процессов на­иболее распространены реакторы с неподвижным слоем катализатора

Весь объем аппарата, запол­нен частицами различной формы характер­ный размер которых 3-8 мм. Слой расположен на жесткой опорной решетке, выдерживающий вес катализатора и перепад давления в слое. Вес загруженного катализатора может составлять тонны, и даже десят­ки тонн в крупнотоннажных производствах (серной кислоты, аммиа­ка). Чтобы мелкие зерна катализатора не проваливались и не закрывали отверстия в опорной решетке, на нее обычно насыпают тонкий слой крупнокускового материала. Катализатор насыпают сверху, Последовательность адиабатических слоев используется в много­слойных реакторах. Теплота между слоями отводится с помощью встроенных теплообменников или вводом холодного газа. Теплоносителем может быть как посто­ронний компонент, не участвующий в реакции, так и сама реакцион­ная смесь или ее компоненты. Другая группа реакторов — со взвешенным слоем катализатора — псевдоожиженным (кипящим) или восходящим. При высокоскоростной подаче реакционной смеси через низ слоя твердые частицы будут витать в потоке, не уносясь вместе с ними из реактора. В этом случае частицы не должны быть круп­нее 1 мм. Такая организация процесса обеспечивает полное использо­вание внутренней поверхности. Циркулирующие частицы выравнива­ют температуру в слое, и процесс в нем протекает практически изотер­мически.

Подвижность частиц дает возможность реализации течения твердого материала через реактор, что существенно для процесса с изменяющейся активностью катали­затора. В качестве примера такого процесса можно привести катали­тический крекинг нефтепродуктов, в котором катализатор быстро «за-коксовывается» и теряет активность. Его непрерывно выводят из ре­актора в регенератор (рис. 4.76, б), где происходит «выжиг» кокса, и восстанавливается активность, а после этого возвращают в реактор, обеспечивая непрерывность процесса. если ско­рость газа превышает скорость начала псевдоожижения, Циркуляция частиц в псевдоожиженном слое вызывает истирание катализатора. Для очистки газа от пыли после реактора устанавливают циклоны. В крупных реакторах каталитического крекинга, размеры которых достигают диаметра 12 м и высоты 16 м, циклоны устанавли­вают непосредственно в корпусе реактора.

Если скорость газового потока будет такой, что твердые частицы будут захватываться им (скорость потока больше скорости уноса), ре­ализуется режим пневмотранспорта (рис. 4.76, г) и процесс в восходя­щем потоке катализатора. Такая организация процесса эффективна для быстрых реакций, т.к. время прохождения реакционной смеси в длинном узком реакторе небольшое. Теплота реакции расходуется не только на нагрев (охлаждение) реакционной смеси, но и на нагрев (ох­лаждение) летящего с ней твердого катализатора, тепловая емкость ко­торого в 300—600 раз больше газа. Процесс протекает почти изотерми­чески. Отделив катализатор в циклоне, катализатор можно нагреть или охладить в отдельном аппарате и вернуть в реактор. Такая органи­зация процесса оказалась очень эффективна в гидрокрекинге на но­вых цеолитных катализаторах.