3 Каталитические процессы

Катализом называется увеличение скорости химических реакций или возбуждение их при воздействии веществ - катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но восстанавливают свой химический состав с окончанием акта катализа.

По принципу фазового состояния реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные.

При гомогенном катализе и катализатор, и реагенты находятся в одной фазе - газовой или жидкой. При гетерогенном катализе катализатор и реагенты или продукты реакции находятся в разных фазах.

Ускоряющее действие катализаторов состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изменения реакционного пути с участием катализатора или вследствие осуществления реакции по цепному механизму при инициирующем действии катализатора.

Все каталитические реакции, происходящие при гомогенном и гетерогенном катализе, делят по типу взаимодействия катализатора с реагирующими веществами на два основных класса: окислительно-восстановительное (гомолитическое) и кислотно-основное (гетеролитическое) взаимодействия.

Механизм окислительно-восстановительного катализа заключается в обмене электронами между катализатором и реагентами.

Механизм кислотно - основного катализа заключается в обмене протонами или ионами (катионами и анионами) между катализатором и реагирующими молекулами.

Образующиеся промежуточные активированные комплексы неустойчивы и распадаются или реагируют с другой молекулой. В обоих случаях катализатор регенерируется.

3.1. Каталитическое окисление сернистого ангидрида

Основной стадией контактного способа производства серной кислоты является окисление SO в SO . Контактное окисление диоксида серы является гетерогенным каталитическим процессом, идущим с выделением тепла.

Равновесие обратимой реакции:

2SO₂ + О₂  2 SO₃ + 2·96,7 кДж (500°С)

в соответствии с принципом Ле Шателье сдвигается в сторону образования SO₃ при понижении температуры и повышении давления.

Реакция гомогенного некаталитического окисления SO₃ происходит крайне медленно вследствие малой вероятности столкновения трех молекул и большой энергии активации Е>300 кДж/моль. Поэтому в производстве серной кислоты диоксид серы окисляют на катализаторах. Из сотен катализаторов, ускоряющих процесс, в промышленности используются три: 1) металлическая платина; 2) оксид железа; 3) пятиоксид ванадия.

Наиболее активным катализатором является платина, но из-за дороговизны и легкой отравляемости примесями обжигового газа данный катализатор заменен на менее активный, но более дешевый и устойчивый к контактным ядам ванадиевый катализатор. Ванадиевая контактная масса содержит в среднем 7% V₂O , активатор К₂О, носителем служат пористые алюмосиликаты. Ванадиевая контактная масса эксплуатируется при t =400-600°С. При увеличении температуры выше 600°С начинается необратимое снижение активности катализатора вследствие изменения структуры зерна и состава активного компонента. При понижении температуры активность катализатора резко снижается вследствие образования малоактивного сульфата ванадия VOSO₄.

Процесс катализа состоит из стадий:

1) диффузии реагирующих компонентов из ядра газового потока к гранулам, а затем в порах контактной массы;

2) сорбции кислорода катализатором (передача электронов от катализатора к атомам кислорода);

3) сорбции молекул SО₂ с образованием комплекса SO_2О.катализатор;

4) перегруппировки электронов с образованием комплекса SO .катализа­тор;

5) десорбции SO₃;

6) диффузии SO₃ из пор контактной массы и от поверхности зерен.

Равновесная степень превращения SO₂ в SO₃ или равновесный выход SO c повышением температуры уменьшается.

Равновесный выход SO₃ в зависимости от концентрации реагирующих веществ для соответствующей температуры определяют по уравнению:

х_р=

где х_р- равновесный выход SO₃;

р - общее давление газа, Па;

а - содержание SO₂ в газовой смеси до начала окисления, об.% ;

b - содержание кислорода в той же смеси, об.%;

К - константа равновесия, принятая в технологии серной кислоты:

парциальные давления соответствующих компонентов в состоянии равновесия.

При 400°С и ниже реакция окисления сернистого газа практически необратима. При температуре порядка 1000ºС SO₃ почти полностью диссоциирует на диоксид серы и кислород. С точки зрения полноты превращения диоксида серы в триоксид серы надо было бы выбрать возможно более низкую температуру. Но при температурах ниже 400°С скорость реакции неприемлемо низка.С повышением температуры константа скорости реакции возрастает, но при этом константа равновесия и соответственно равновесная степень окисления диоксида серы уменьшаются. В связи с этим каждой степени окисления соответствует оптимальное значение температуры, отвечающее максимальной скорости.

На рис.3 показана зависимость выхода продукта от температуры при разном времени соприкосновения реагирующих веществ с катализатором, обладающего определенной температурой зажигания при прочих постоянных условиях технологического режима.

Рис. 3. Зависимость выхода продукта экзотермической реакции от температуры при различном времени контактирования на данном катализаторе,

(Р, С_1, C_2i = const)

Т — температура зажигания катализатора

Максимальный выход SO₃ для данного времени соприкосновения газа с катализатором получается при определенной оптимальной температуре. Чем меньше время соприкосновения , тем выше оптимальная температура. Соединив максимальные выходы, можно получить оптимальную кривую, показывающую, что с увеличением и х следует понижать температуру для достижения максимальной скорости процесса и степени превращения.

Таким образом, в контактных аппаратах для достижения максимальной скорости процесса следовало бы начинать его при возможно более высоких температурах, около 600°С, проводить по кривой оптимальных температур и заканчивать при 400°С. Для этого необходим предварительный подогрев газа и непрерывный отвод теплоты по ходу каталитического процесса.

Целью данной работы является исследование влияния рабочего режима установки (температуры, состава газовой смеси, объемной скорости газового потока) на степень контактирования, а именно:

при постоянных значениях состава газовой смеси и объемной скорости газового потока установить зависимость степени контактирования от температуры.