24. Промышленный катализ. Сущность каталитического действия. Виды катализа

Катализ это наиболее эффективное и рациональное средство ускорения химических реакций. Каталитические процессы применяются в промышленности в большом масштабе, причем область их применения прогрессивно растет. Катализ применяется при получении важнейших неорганических продуктов основной химической промышленности: водорода, аммиака, серной и азотной кислот. Особенно велико и разнообразно применение катализа в технологии органических веществ, прежде всего в органическом синтезе – в процессах гидрирования , окисления, дегидрирования, гидратации и дегидратации. При помощи катализаторов получают основные полупродукты для синтеза высокополимеров.

Катализом называют изменение скорости химических реакций или их возбуждение в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончанию его химически неизменным. Катализаторами м.б. различные вещества: газы, жидкость, твердые тела.

По принципу фазового состояния реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе – газе или растворе. При гетерогенном катализе реагент и катализатор находятся в разных фазах.

Действие катализатора не смещает равновесие реакции, а лишь ускоряет достижение равновесия при данной температуре.

Сущность ускоряющего действия 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.

29. Время контакта. Интенсивность катализатора. Выбор оптимальных условий для каталитических процессов. Интенсификация процесса.

Время контакта сырья с катализатором – это время, необходимое для испарения сырья и нагрева его паров до температуры реакции, адсорбции углеводородов сырья на поверхности пористой структуры катализатора, протекания реакций и вывода образовавшихся продуктов в газопродуктовый поток. По этому показателю рассчитываются размеры реактора для заданной производительности установки. Для конкретного катализатора время контакта определяется в результате специальных исследований на пилотной установке. В реакторе установки каталитического крекинга MS максимальное общее время контакта сырья с катализатором составляет 6,5-10,5 секунд при производительности 150-250 т/ч. Условно реакционный объем реактора можно разделить на три реакционные зоны с различной продолжительностью пребывания в них газопродуктовой смеси . Высокая производительность (интенсивность, активность) катализатора достигается определенным сочетанием химического состава с оптимальными микро- и макроструктурой. Она находится также в прямой зависимости от технологических параметров ведения процесса.

Интенсивность работы / катализатора можно рассчитать по формулам:

l = VKCnf > n ; 1 = VHCH*PA Здесь VK и VH — конечная (на выходе нз слоя катализатора) и начальная (на входе в слой катализатора) объемные скорости газа соответственно; Са и Св — объемные доли продукта (на выходе нз слоя катализатора) и основного исходного вещества (на входе в слой катализатора) соответственно; х — степень превращения основного исходного вещества, доли единицы; ри — плотность чистого продукта, кг/м3; pv— коэффициент пересчета начальной объемной скорости в конечную, учитывающий изменение объема реакционной смеси.

30. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ. ТРЕБОВАНИЯ К ХИМИЧЕСКОМУ РЕАКТОРУ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКТОРОВ. Для выбора конструкции и определения размеров любого реактора необходимо принимать во внимание большое число различных факторов и, прежде всего, располагать следующими данными:

– величинами, характеризующими скорость протекания химических реакций, а также скорость массо- и теплопередачи;

– внешними ограничениями, накладываемыми технологическим оборудованием, такими как модель реактора, определяющая его гидродинамическую характеристику и скорость процессов переноса вещества и тепла.

Нужно учитывать также ряд общих требований к реакторам, которые должны обеспечить:

1. высокую производительность единицы реакционного объема;

2. значительную селективность для сложного процесса;

3. низкие энергетические затраты;

4. простоту обслуживания, малую стоимость изготовления и выполнение требований техники безопасности;

5. надежность регулирования и устойчивость технологического режима;

6. низкую стоимость продукции.

Одним из важнейших показателей, отражающим совершенство химического реактора, является его интенсивность, которая характеризуется количеством целевого продукта, получаемого в единицу времени при заданных условиях с единицы объема (площади) реактора. Интенсивность реактора тем выше, чем меньше времени затрачивается на получение заданного количества продукта. Поэтому главной задачей при изучении процессов, протекающих в реакторах любого типа, является установление функциональной зависимости времени пребывания реагентов в реакторе от различных факторов:

τ = f [х, C, v],

где х – заданная степень превращения реагента; С – начальная концентрация реагента; v – скорость химической реакции.

Наиболее часто употребляются следующие признаки классификации хими­ческих реакторов и режимов их работы:

1) режим движения реакци­онной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе); 2) условия теплообмена в реакторе;

3) фазовый состав реакционной смеси; 4) способ организации процесса; 5) характер изменения параметров про­цесса во времени; 6) конструктивные характеристики

Моделирование – метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели давно используется в различных областях науки и техники. Суть его состоит в том, что исследование самого объекта заменяют исследованием его модели. Полученные свойства модели переносят на свойства моделируемого объекта. Согласно общей схеме математического моделирования химических процессов и реакторов, последовательность создания их моделей можно представить следующим образом:

1. определение структуры потока в реакционной зоне;

2. выделение элементарного объема, в котором протекает химический процесс; элементарный объем многократно повторяется в реакционной зоне, закономерности протекания в нем химического процесса не зависят от масштаба, а условия для протекания процесса создаются потоками в масштабе реактора;

3. установление явлений переноса между элементарными объемами, создающих условия протекания процесса в них и определяющих их взаимодействие; модель должна предсказать распределение температуры и концентрации и, следовательно, позволит определить превращение исходных веществ в продукты;

4. построение математической модели исходя из представлений о структуре и схеме процесса.