Контрольные вопросы

1. Объясните понятие «химико-технологический процесс».

2. Дайте определение понятию «технологический режим». Какие пара­метры его определяют?

3. Представьте классификацию реакций, определяющих основу ХТП.

4. Напишите уравнение закона действующих масс. Объясните с пози­ции этого закона влияние концентрации на приемы интенсификации гомо­ген­ных процессов.

5. Напишите уравнение Аррениуса. Объясните на основе этого урав­нения влияние температуры и энергии активации на скорость химических процессов.

6. Объясните влияние давления на скорость гомогенных процессов. Ка­кие давления по абсолютной величине применяют в химической технологии? Приведите примеры.

7. Приведите классификацию гетерогенных систем. Дайте примеры.

9. Назовите элементарные стадии гетерогенных процессов.

10. Дайте определение лимитирующей стадии процесса. В каких обла­стях может протекать гетерогенная реакция?

11. От каких факторов зависит скорость гетерогенной реакции, проте­кающей в диффузионной области? Дайте соответствующее уравнение этой зависимости.

12. Что такое движущая сила процесса массопередачи? Как она влияет на скорость гетерогенных процессов? Как можно повысить градиент концентраций?

13. Дайте определение понятию «химическое равновесие». Как его можно нарушить? Принцип Ле-Шателье.

14. Напишите уравнение Гиббса. На его основе объясните принципи­альную возможность протекания химической реакции и величину движущей силы процесса.

Глава 6 гетерогенный катализ

6.1. Общие положения катализа

Современные процессы основного неорганического синтеза, нефтепе­ре­работки, нефтехимии и органического синтеза в настоящее время без при-менения катализаторов невозможно представить. Около 90 % промышлен­ных химико-технологических процессов ведут с применением катализаторов в качестве активаторов. Примерами неорганического синтеза являются тех-но­логические процессы производства аммиака, азотной и серной кислот; нефтехимии и органического синтеза – процессы производства метанола, сти­рола, бутадиена, фенола и ацетона, ацетальдегида и др. В нефтепере­ра­ботке – это процессы каталитическиого крекинга и риформинга, гидроочи­стки и гидрокрекинга, алкилирования изобутана и изомеризации парафи­но-вых углеводородов, производства оксигенатов и т.д.

Каталитические процессы имеют ряд важных преимуществ по сравне­нию с некаталитическими процессами. Кроме того, что применение катали­за­торов резко ускоряет скорости химических реакций, процессы с их использованием могут быть организованы как непрерывные, безотходные и ме­нее энерго­емкие, отличающиеся высокими технико-экономическими пока­за­телями и обеспечивающие более высокий выход целевых продуктов.

Применение катализаторов позволяет интенсифицировать химико-тех-нологические процессы, а в ряде случаев осуществлять процессы, которые на практике без катализаторов не могут быть реализованы. Особо значимо использование катализаторов при обратимых экзотермических процессах, что позволяет существенно сни­жать температуру процесса и добиваться приемлемой степени превращения сырья.

Определение понятию катализа можно сформулировать следующим об­ра­зом. Катализ – это явление, состоящее в том, что присутствие в системе ка­ко­го-либо вещества вызывает или ускоряет (реже замедляет) протекание не­ко­торой химической реакции, либо открывает новый путь для химического процесса. Само это вещество в конце реакции оказывается неизменным (в хи­мическом смысле, так как физическое состояние катализатора может достаточно сильно отличаться от исходного). С точки зрения формальной хи­мической кинетики это означает, что у всех каталитических реакций имеется циклический каталитический маршрут. Отметим, что катализатор не сдвигает химическое равновесие, а только изменяет скорость протекания химического процесса. Это означает, что катализатор одинаково влияет на протекание и прямой и обратной реакций. Каждый катализатор способен катализировать только вполне определенные реакции или классы реакций.

Специфичность действия катализатора может различаться весьма силь­но: от уникальности в случае некоторых ферментов до катализа многих клас­сов реакций. Общий принцип действия катализатора состоит в снижении энер­гии активации. Схематическая зависимость энергии реагирующей систе­мы от координаты реакции (для реакции без катализатора – сплошная линия и реакции с участием катализатора – пунктирная) приведена на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Зависимость энергии реагирующей системы от координаты реакции

Из рисунка 6.1 видна главная особенность действия катализа­тора – об­ра­зование промежуточного продукта (комплекса субстрат-катализа­тор, пока­зан­но стрелкой), что приводит к разбиению исходной элемен­тарной реакции, по край­ней мере, на две стадии, каждая из которых имеет энергию активации, меньшую энергии активации исходной реакции.

В зависимости от места протекания реакции катализ разбивают на го­мо­генный и гетерогенный. Если реагенты и катализатор находятся в одной жидкой или газовой фазе, то это гомогенный катализ, если в разных фазах (газ – твердое тело или жидкость – твердое тело), то это гетерогенный ката­лиз. Существует и гомогенно-гетерогенный катализ, когда начавшаяся на ге­те­рогенном катализаторе реакция продолжается затем в объеме другой фазы.

Гетерогенный катализ наиболее распространен в химической техно­ло­гии. Он отличается рядом достоинств, например, простотой разделения ка­та­лизатора и продуктов процесса, высокой термостойкостью и сравнительной легкостью регенерации собственно катализатора.

Каталитические гетерогенные реакции сопровождаются рядом явлений, связанных со свойствами твердых тел, неоднородных по химическому и фа­зо­вому составу. Важнейшую роль играют нарушения структуры (дефекты) кристаллической решетки катализаторов. Эти нарушения обусловливают энер­гетическую неоднородность поверхностных атомов и обеспечивают опре-деленную сорбционную способность поверхности катализатора. В целом эф­фективность применения катализаторов определяется комплексом их химичес­ких и физических свойств.