Разработки реакторов №2
Катализаторы
Катализатор - химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Существуют два типа катализаторов: гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный – образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. К гомогенным катализаторам относятся кислоты и основания, к гетерогенным относятся металлы, оксиды, сульфиды.
Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе.Рассмотрим различные примеры гетерогенных катализаторов: стр.3.
Пример различия между гомогенным (сверху) и гетерогенным (снизу) катализом аммиака:
Кроме того, могут быть вариации получения различных продуктов с одними и теми же реагентами, но при разных условиях и катализаторах, например, получение азотной кислоты:
Что же происходит в каталитическом процессе, и почему каталитические реакции происходят намного быстрее и эффективнее, нежели без катализаторов.
Катализатор способен уменьшать активационную энергию химического процесса, тем самым не только ускоряя процесс, но и уменьшая затраты энергии на него. Более того, существуют химические реакции, которые без катализаторов вообще не происходят.
На данном примере можно рассмотреть, что реакция получения аммиака в присутствии катализатора происходит с выделением энергии, в отличие от реакции в газовой форме, где израсходуется большое количество энергии:
В каталитическом процессе существуют три основных компонента. Это активные компоненты, промоторы и поддержка.
Активные компоненты взаимодействуют с реагентами для получения продуктов. В основном это металлы, оксиды и сульфиды металлов.
Промоторы - вещества, которые стабилизируют сам активный компонент от пагубных на него химических и физических воздействий. Они могут участвовать в химическом процессе напрямую или косвенно. Самый распространённый пример промотора это кварц, но бываю также металлы и их оксиды.
Поддержка - вещество, на которое наносится активный компонент и промотор. Зачастую его процент в катализаторе намного больше, чем остальных вышеупомянутых веществ. Примеры поддержки - гамма оксид алюминия и кварц.
Подробные примеры можно рассмотреть тут:стр.6, стр.7
Промышленный катализатор должен соответствовать следующим критериям: устойчив к реагентам и продуктам реакции, к физическим воздействиям окружающей среды, в которой происходит реакция. Например, температура, давление или механическое трение. Высокое соотношение площади к объёму, то есть большое количество активных центров на малый объём, что делает относительно эффективным и даёт высокий процент в селекции продуктов. Должен быть легкодоступный в приготовлении промышленного масштаба.
Классификация реакторов в гетерогенном катализе
Гомогенные катализаторы используют в основных видах химических реакторов - BR, CSTR и PFR.
Для гетерогенных катализаторов есть продвинутые реакторы, делящиеся определённый виды фаз катализатора и реагентов:
Реакционная фаза
|
Вид реактора
|
Гомогенная - одна фаза |
BR, CSTR и PFR
|
Гетерогенная - |
|
Две фазы
Газ-катализатор или жидкость катализатор
|
Packet-bed, Fluidized-bed
|
Три фазы
Газ-жидкость-катализатор
|
Trickle-bed, Bubble Fixed-bed, CSTR Slurry, Bubble Slurry Column, 3-Phase Fluidized
|
Без катализатора |
Gas-Liquid CSTR, Gas-Liquid Bubble Column
|
Packet-bed - реактор с неподвижным твердым слоем катализатора, через который проходит жидкая или газовая фаза реагентов.
Fluidized-bed -- реактор, в котором каталитическая фаза в виде гранул или мелких частиц находится в движущемся потоке реагентов.
Gas-Liquid CSTR - реактор с механическим смешиванием газово-жидкостной фазы. В основном используется для гомогенного катализа.
Gas-Liquid Bubble Column - реактор в виде колонны, где смешивание обеих фаз происходит за счет непрерывной подачи газа.
Trickle-bed - реактор с параллельными потоками жидкой и газовой фазы над твердым слоем катализатора.
Bubble-Fixed Bed - реактор с полностью погруженным катализатором в параллельные потоки жидкой и газовой фазы
CSTR Slurry - реактор с механическим смесителем, где катализатор в виде гранул или мелких частиц смешивается в жидкой фазе.
Bubble Slurry Column - трех фазовый реактор, в котором частицы катализатора находятся во взвешенном состоянии благодаря поднимающемуся газу и жидкости
3-Phase Fluidized - трех фазовый реактор, в котором частицы катализатора находятся в взвешенном состоянии благодаря пдонимающемуся газу и жидкости.
Лит-ра: Fogler, H.C. "Elements of Chemical Reaction Engineering”, 3rd Ed., Prentice Hall Int., 1999; Levenspiel O. "Chemical Reaction Engineering", 3rd Ed., John Wiely & sons, NY, 1999; Hill, C.G., "An Introduction to Chemical Engineering Kinetics & Reactor Design", John Wily & sons, NY, 1977; Laird T. "Chemical Development and Scale Up”, Kluwer, 1996; Hoyle, W., Ed., "Pilot plants and scale-up of chemical processes I”, Royal Society of Chemistry, 1997; Hoyle, W., Ed., Pilot plants and scale-up of chemical processes II”, Royal Society of Chemistry, 1999; Bailey, J.E., Ollis, D.F., "Biochemical Egineering Fundamentals", 2nd ed., McGraw-Hill, 1986; Shuler, M.L., Kargi, F., "Bioprocess Engineering: Basic Concepts", 2nd ed., Prentice Hall PTR, 2002; Flickinger, M. C., "The encyclopedia of bioprocess technology :fermentation, biocatalysis, and bioseparation", Wiley, 1999; Coulson, J. M., "Chemical engineering :chemical and biochemical reactors and process control", 3rd ed., Pergamon Press, 1994.
Copyright©C2H5OH,2010
|