Міністерство освіти та науки, молоді і спорту України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра технології неорганічних речовин та загальної хімічної технології

ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

Хімічна технологія каталізаторів та каталітичних процесів

КУРС ЛЕКЦІЙ

з розділу «КІНЕТИКА І МАКРОКІНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛІТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ»

Для студентів 5 курсу спеціальності 8.05130101 Хімічні технології неорганічних речовин.

Рекомендовано Методичною радою НТУУ «КПІ»

Київ – 2011 р.

Курс лекцій з дисципліни «Хімічна технологія каталізаторів та каталітичних процесів» для студентів спеціальності 8.05130101 «Хімічні технології неорганічних речовин» хіміко-технологічного факультету. /Укладачі: доц. А.Л. Концевой, ас. Банюк К.М. – НТУУ “КПІ”, 2011.– 229 с.

Гриф надано Методичною радою НТУУ «КПІ»

(Протокол № від р.)

Свідоцтво НМУ №

ЕЛЕКТРОННЕ НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

Хімічна технологія каталізаторів та каталітичних процесів

Курс лекцій

з розділу «КІНЕТИКА І МАКРОКІНЕТИКА ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛІТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ»

Укладачі: Концевой Андрій Леонідович, канд. техн. наук, доцент;

Банюк Катерина Миколаївна, асистент.

Відповідальний редактор: А.Л. Концевой, канд. техн. наук, доцент;

Рецензенти: О.В. Лінючева докт. техн. наук, доцент

Т.М. Бойчук, канд. хім. наук, н.с.;

Д.П. Савіцький, канд. хім. наук, н.с.

За редакцією укладачів

Зміст

1 Класифікація каталітичних процесів 6

2 Основні положення теорії гетерогенного каталізу 7

3 Стадії та області перебігу гетерогенно-каталітичного процесу 25

4 Кінетика гетерогенно-каталітичної реакції 27

5 Макрокінетика гетерогенно-каталітичних процесів: зовнішньо-дифузійна область 40

6 Макрокінетика гетерогенно-каталітичних процесів: внутрішньо-дифузійна область 44

Висновки з 5, 6 і 7 розділів 56

Висновки з 5, 6 і 7 розділів 56

7 Стаціонарний і нестаціонарний каталіз 58

8 Кінетика гомогенних каталітичних процесів 64

Список використаної літератури 66

Список використаної літератури 66

Контрольні питання для самоперевірки знань 67

Рекомендована література для поглибленого вивчення дисципліни 69

ДОДАТКОВІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ВИВЧЕННЯ 71

Додаток А Основні відомості з адсорбції 71

Рисунок А.2 – Типові ізотерми адсорбції. 76

Список використаної літератури 88

Додаток Б Методи дослідження каталізаторів і гетерогенно-каталітичних реакцій 89

Це зниження можна описати рівнянням Кельвіна: 93

93

Каталіз і прогрес в технології неорганічних речовин

Необхідною умовою промислової реалізації хімічної реакції є значна швидкість досягнення високого виходу цільового продукту. Проте багато хімічних процесів, що мають практичну цінність і можливі з термодинамічної точки зору, через дуже велику енергію активації перебігають дуже повільно. На перший погляд, подолати високий енергетичний бар’єр нескладно – необхідно збільшити кінетичну енергію молекул, тобто підвищити температуру процесу. Але, навіть, якщо таке рішення економічно виправдане в промислових умовах, реалізувати його для конкретного хіміко-технологічного процесу не завжди можливо. Для багатьох оборотних екзотермічних реакцій підвищення температури спричиняє зміщення рівноваги в бік утворення вихідних речовин, що робить реакцію термодинамічно нездійсненною. Може виявитись, що підвищення температури неприпустиме через термічний розклад реагентів або продуктів, зміни їхнього агрегатного стану, випаровування розчинів тощо. В таких випадках слід застосовувати каталізатори.

Каталіз як явище – зміна або ініціювання швидкості хімічних реакцій в присутності каталізаторів – речовин, які після закінчення реакції залишаються хімічно незмінними. Позитивний каталіз (надалі просто каталіз) прискорення реакції викликане проміжною хімічною взаємодією каталізатора і реагентів з регенерацією каталізатора в кінці реакції. З цього визначення випливає, що каталітичні процеси є циклічними, тобто це замкнута послідовність стадій (цикл), за якими перебігає каталітична реакція. В хімічній системі можливе явище автокаталізу, коли каталізатором є один з продуктів реакції. Сповільнення швидкості в присутності каталізаторів – від’ємний каталіз або інгібіювання (в цьому курсі не розглядається).

Застосування каталізаторів є одним з найефективніших методів удосконалення та інтенсифікації хіміко-технологічних процесів, що дають хімікам-технологам великі можливості для прискорення реакцій, підвищення селективності процесів, створення ресурсозберігаючих технологій.

В хімічній промисловості більш ніж 80% продукції виробляється з використанням каталізаторів. В технології неорганічних речовин каталітичні реакції є основою виробництва синтез-газу, аміаку, азотної та сірчаної кислот. Наприклад, для отримання зв’язаного азоту застосовується близько 40% усіх каталізаторів, що випускаються у світі. Широко використовуються каталізатори при очистці викидних газів від токсичних домішок (так званий екологічний каталіз). Разом із цим, науково-технічний прогрес в хімічних галузях промисловості не обмежується удосконаленням існуючих каталізаторів чи розширенням сфер їх застосування. Завдання полягає у розробці і промисловому освоєнні більш активних, селективних і стабільних каталізаторів порівняно з тими, що застосовуються на теперішній час. Завдяки застосуванню таких каталізаторів, підвищення продуктивності і зменшення питомих витрат сировини та енергії може повністю усунути (або значно зменшити) потребу у створенні додаткових потужностей для виробництва тієї самої продукції. Більше того, розробка нових каталізаторів повинна бути спрямована на використання їх у процесах з альтернативною, менш дефіцитною сировиною для отримання таких самих або нових хімічних продуктів. Подібним актуальним завданням є, наприклад, створення високоактивного каталізатора окиснення SO₂, що міститься в малих концентраціях (менше 0,2–1,0 %) у топкових газах енергетичних підприємств (ТЕЦ тощо), відхідних газах чорної та кольорової металургії, у складі яких щорічні світові викиди SO₂ досягають сотень мільйонів т. Можливість утилізації SO₂ із цих газів значно збільшила б сировинну базу у виробництві сірчаної кислоти й одночасно розв’язала б серйозні екологічні проблеми (забруднення ноосфери, «кислотні» дощі).

Отже, подальший розвиток хімічної технології чітко зорієнтований на розширене використання і вдосконалення каталітичних методів, а стан наукових досліджень в області каталізу значною мірою визначатиме технічний рівень галузі хімічної промисловості виробництв неорганічних речовин.