4. Удельная поверхность слоя зернистого материала.

Определяется по перепаду давления ΔР в слое и рассчитывается по преобразованному уравнению (5.23).

(5.24)

В этом случае L– длина слоя, d – средний диаметр гранул, ε – порозность слоя, u – скорость газа в расчете на полное сечение слоя (остальные обозначения и единицы измерения в (5.24) сохраняются).

• Механические свойства гранул катализаторов и адсорбентов.

Механические свойства гранул, загружаемых в реакторы или адсорберы с неподвижным слоем, характеризуют двумя методами: по сопротивлению сдавливанию и по истиранию. Для гранул, полученных методом таблетирования и имеющих форму правильного цилиндра, можно получить две характеристики их механических свойств, сдавливая цилиндр контролируемой силой по торцам (основаниям) или по составляющей. Для гранул, полученных методом экструзии, механическую прочность измеряют только по составляющей. Таким же способом можно оценить механическую прочность гранул в виде шаров.

Измерение прочности на истирание крупных гранул катализаторов и адсорбентов проводят во вращающемся барабане. Загружают материал в барабан, вращают его определенное время с фиксированной скоростью и измеряют долю разрушенных гранул.

Прочность катализаторов для псевдоожиженного слоя характеризуют изменением фракционного состава навески после ее испытания в псевдоожиженном слое, создаваемом влажным воздухом.

• Плотность катализаторов и адсорбентов.

Пористые тела можно характеризовать тремя плотностями: насыпной (γ_нас), кажущейся (γ_каж) и истинной (γ_ист). Насыпную плотность измеряют путем взвешивания образца известного объема в цилиндре известного веса. Цилиндр выбирают в зависимости от величины гранул катализатора таким образом, чтобы минимизировать влияние больших пустот у стенок. Кажущаяся плотность – это насыпная плотность, деленная на (1 - ε), где ε – порозность слоя доли. Порозность может быть измерена количеством ртути, заполнившим свободный объем между гранулами (ртуть в поры с диаметром меньше, чем 100000 Å проникает только под давлением).

Истинную плотность измеряют методом гелиевой пикнометрии. В его основе лежит предположение, что гелий проникает во все поры, но на поверхности пор не адсорбируется. Навеску катализатора или адсорбента помещают в сосуд известного объема, сосуд откачивают и затем в него напускают гелий из сосуда также известного объема и с известным начальным давлением. После напуска измеряют давление в новой системе. Отличие этого давления от того, которое было бы, если первый сосуд не содержал бы навеску пористого тела, позволяет вычислить объем твердого тела без пор.

Из этого измерения можно получить и другую характеристику катализаторов и адсорбентов – пористость. Она численно равна 1 - γ_каж/γ_ист.

1.6. Методы приготовления и производства катализаторов и носителей

По методам приготовления твердые катализаторы делятся на массивные и нанесенные. К массивным относятся катализаторы, полученные путем совместного осаждения или смешения исходных компонентов. Исключение составляют, в частности, катализаторы в виде сетки (например, платиновый катализатор окисления аммиака в производстве азотной кислоты), скелетные катализаторы (т.н. «металлы Ренея»), получаемые в результате выщелачивания алюминия из его сплавов с соответствующим металлом (катализаторы жидкофазного гидрирования и дегидрирования), электролитически осажденное серебро (катализатор окисления метанола в формальдегид), плавленые катализаторы (промотированный железный катализатор синтеза аммиака).

Нанесенные катализаторы получают путем пропитки предварительно произведенного носителя (требование к носителям см. выше). Предварительное производство носителя является видовым признаком нанесенных катализаторов.

Существуют и комбинированные методы приготовления, Например, когда массивный катализатор «допропитывают» активными компонентами катализатора (например, металлами). Кроме того, существуют катализаторы, называемые пропиточными, в которых исходное соединение активного компонента находится в виде раствора или расплава в порах катализатора (например, расплав смеси хлоридов двухвалентной меди и хлоридов щелочных и (или) щелочноземельных металлов на силикагеле – катализатор окисления хлористого водорода в хлор и воду).

Некоторые компоненты катализаторов, полученных смешением (эти катализаторы называют «замесными») или осаждением, фактически выполняют некоторые функции носителя. Например, в состав катализаторов синтеза метанола и сдвига водяного газа

CO + 2H₂ = CH₃OH

CO + H₂O = CO₂ + H₂

входит оксид алюминия, инертный в перечисленных реакциях, но упрочняющий гранулы катализатора. Ту же роль играет оксид алюминия, входящий в состав железных катализаторов синтеза аммиака. Такие компоненты катализаторов называют физическими промоторами. В состав некоторых катализаторов вносят физические промоторы (их еще называют текстурирующими), препятствующие спеканию активных компонентов.

Под промоторами (или промотирующими добавками) в общем случае понимают вещества, вводимые в катализаторы обычно в малых количествах, но существенно улучшающие какие-либо их свойства. Вещества, увеличивающие активность или селективность катализатора, т.е. влияющие на скорости химических стадий реакции, называют химическими промоторами. Часто промоторы, увеличивающие избирательность, понижают активность (например, хлорсодержащие добавки к серебряным катализаторам окисления этилена в оксид этилена). В этих случаях для повышения активности необходимо увеличивать температуру реакции, что, в свою очередь, приводит к снижению избирательности. Тогда возникает задача оптимизации количества промотирующих добавок и условий проведения процесса. В состав этого катализатора входит также текстурирующий промотор (сернокислый барий или кальций), препятствующий спеканию серебра на поверхности носителя (корунда).

Число носителей для промышленных катализаторов ограничено. В свою очередь они делятся на природные и синтетические носители. Области применения природных носителей из-за их плохой воспроизводимости ограничены. Это пемза, кизельгур, природные алюмосиликаты. К синтетическим носителям относятся силикагель, синтетические алюмосиликаты и цеолиты, активированные угли, оксиды алюминия, титана, циркония, магния.