Тема 5. Промышленный катализ (4 часа)
Каталитические процессы в настоящее время составляют основу химической технологии. Причем область их применения расширяется: около 90 % новых производств, освоенных за последние годы химической промышленностью, основаны на взаимодействии, протекающем в присутствии катализаторов.
В промышленности 90 % процессов являются каталитическими. ВВП США на 30 % определяется каталитическими технологиями, являющимися локомотивом экономически развитых стран.
КАТАЛИЗ (термин введен в 1835 г) – это изменение скорости реакции при воздействии веществ- катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.
Применение катализаторов облегчает практическое осуществление многих химических реакций; скорость некоторых из них увеличивается в тысячи и даже миллионы раз. Очень многие промышленные процессы удалось осуществить только благодаря применению катализаторов.
К числу каталитических процессов относятся важнейшие крупнотоннажные производства, например, такие как получение водорода, аммиака, серной и азотной кислот и многих других важнейших химических продуктов. Особенно велико и разнообразно применение катализа в технологии органических веществ и в производстве высокомолекулярных соединений.
Катализаторами могут быть вещества, находящиеся в любом из трех агрегатных состояний. К твердым катализаторам можно отнести металлы и их оксиды, например, железо Fe при синтезе аммиака, платину Pt при окислении аммиака, оксид ванадия V2O5 при окислении SO2, Al2O3 при крекинге нефтепродуктов и др.
Жидкими катализаторами служат обычно кислоты и основания, например, серная кислота H2SO4 и фосфорная кислота Н3РО4 применяются при алкилировании ароматических углеводородов, при изомеризации н-бутилена в изобутилен и др.
Примером газообразных катализаторов может служить BF3 в процессах полимеризации некоторых углеводородов.
Каталитические процессы можно разделить на две группы: гомогенные и гетерогенные.
При гомогенном катализе катализатор и реагенты находятся в одной фазе в молекулярно дисперсном состоянии.
В гомогенно-каталитических реакциях скорость процесса зависит от концентрации не только реагирующих веществ, но и катализатора.
Основным недостатком гомогенного катализа является трудность выделения катализатора из конечной продукционной смеси, в результате чего часть катализатора теряется, а целевой продукт загрязняется. Однако в последнее время ведутся обширные исследования в области высокоактивных катализаторов гомогенного катализа, которые, присутствуя в малых дозах, вызывают цепные реакции. Поскольку количество вводимого катализатора невелико, после реакции он не извлекается из реакционной смеси, а остается в целевом продукте, не снижая качества получаемого целевого продукта.
Большой интерес к гомогенному катализу объясняется главным образом тем, что при подборе соответствующих катализаторов интенсивность гомогенных процессов очень высока. Это объясняется тем, что гомогенные реакции протекают на микроуровне (на уровне отдельных молекул), когда вероятность столкновения молекул реагирующих веществ с молекулами катализатора весьма значительная.
При гетерогенном катализе катализатор образует самостоятельную фазу, отделенную границей раздела от фазы, в которой находятся реагенты. При этом катализатор не ускоряет диффузионных процессов и оказывает влияние только на скорость процессов протекающих в кинетических. областях.
В особую группу выделены микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. Микрогетерогенный катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. Ферментативный катализ наблюдается в биологических системах с участием сложных комплексов (часто белковой природы), называемых ферментами.