5 .4. Каталітичні процеси
Майже 90 % усіх виробництв хімічної промисловості — каталітичні. Каталіз — найбільш ефективний, а інколи навіть незамінний спосіб прискорення хімічних реакцій, і насамперед поліпшення їх техніко-економічних показників. Використанню каталітичних процесів завдячують десятки тисяч найменувань неорганічних та органічних продуктів: аміак, азотна та сірчана кислоти, метанол, бутадієн, стирол та інші, виробництво моторних палив, очищення стічних вод і газових викидів.
Каталізом називається зміна швидкості хімічних реакцій внаслідок дії особливих речовин — каталізаторів. Каталізатор як компонент реакційного середовища знижує енергію активації, але не входить до складу продуктів реакції, лишаючись практично незмінним. На рис. 5.1 показано схему перебігу реакції для речовин А і В. Для того, щоб утворилася речовина АВ, треба подолати енергетичний бар’єр, тобто енергію активації Еакт, яка під дією каталізатора істотно знижується (Е*акт), а отже, збільшується швидкість перебігу процесу.
Таким чином, дія каталізу як способу інтенсифікації технологічного процесу суттєво відрізняється від дії тиску чи температури. Введення каталізатора в рівноважну систему не зміщує рівноваги, адже каталізатор однаковою мірою прискорює швидкість як прямої, так і зворотної реакцій і лише скорочує час, необхідний для встановлення рівноваги, поліпшуючи тим техніко-економічні показники процесу. При цьому каталізатор не прискорює дифузійних процесів, впливаючи лише на швидкість процесів у кінетичній області. На рис. 5.2. зображено залежність швидкості процесу (крива 1 — швидкість прямої реакції, а крива 2 — швидкість зворотної реакції) від часу його проведення. Як видно з графіка, час досягнення рівноваги (тобто умови, коли швидкості прямої та зворотної реакції стають однаковими) у разі застосування каталізатора значно менший (τк), ніж тоді, коли каталізатор не застосовували (τ).
Рис. 5.1. Графік зниження енергії активації каталітичної реакції
Каталітичні процеси поділяються на гомогенні — тобто коли реагуючі речовини і каталізатор перебувають в одній фазі, гетерогенні — коли каталізатор і реагуючі речовини перебувають у різних фазах, мікрогетерогенні, тобто коли каталізатор перебуває в колоїдному стані, а процес відбувається в рідкій фазі, та ферментативні, коли процеси відбуваються в біологічних системах під дією ферментів.
Каталіз поділяють на позитивний, коли швидкість реакції прискорюється, і негативний, коли швидкість уповільнюється. Причому речовини, що зменшують швидкість процесу, ще називають інгібіторами.
У хімічній промисловості найбільш поширеними є гетерогенні каталітичні процеси, причому твердий каталізатор перебуває в середовищі з газоподібною або рідкою фазою. Процес гетерогенного каталізу на твердих каталізаторах складається з кількох елементарних стадій: дифузія реагентів до поверхні каталізатора; адсорбція (хемосорбція) реагентів на поверхні каталізатора з утворенням нестійких комплексів складу реагент — каталізатор; перегрупування атомів з утворенням нових комплексів складу продукт — каталізатор; десорбція (відрив) готового продукту з поверхні каталізатора; дифузія готового продукту від поверхні каталізатора в зовнішнє середовище.
Проведення каталітичних реакцій в однорідному середовищі технічно легко здійснити, і тому для гомогенного каталізу не потрібні апарати спеціальної конструкції. Наприклад, для проведення гомогенних каталітичних реакцій у газовій фазі застосовують апарати, що мають вигляд камер, колон, трубчастих теплообмінників, і т. п. Гомогенний каталіз у рідкій фазі проводять звичайно в реакторах з перемішуванням. Основним недоліком гомогенного каталізу є виникнення труднощів під час вилучення каталізатора з готового продукту, через що забруднюється продукт і втрачається частина каталізатора.
Рис. 5.2. Графік залежності швидкості прямої та зворотної реакції від часу
Хімічне обладнання для проведення гетерогенного каталізу називають контактними апаратами. Залежно від агрегатного стану каталізатора та режиму його руху в апараті їх поділяють на контактні апарати з нерухомим шаром каталізатора, контактні апарати з рухомим шаром каталізатора та контактні апарати з псевдозрідженим шаром каталізатора.
Контактні апарати з нерухомим шаром каталізатора схематично зображені на рис. 5.3. Контактна маса в них розташовується на полицях (або всередині труб). Для процесів з великим позитивним або негативним тепловим ефектом застосовують апарати з великою кількістю полиць. Для підтримання оптимального теплового режиму реакційна суміш після проходження кожного шару каталізатора підігрівається або охолоджується через поданий у простір між шарами холодний газ або через вбудовані теплообмінні пристрої. Комбінація контактного апарата з пристроєм для відведення або підведення тепла має назву контактний вузол.
Рис. 5.3. Схематичне зображення контактного апарата:
а — з нерухомим шаром каталізатора; б — киплячого шару
До недоліків таких контактних апаратів можна віднести їх низьку продуктивність через труднощі, які виникають у використанні внутрішньої поверхні зерен, неможливість застосування каталізаторів з дрібними зернами через процеси злежуваності, а за необхідності заміни відпрацьованого каталізатора необхідно зупиняти контактний апарат.
У контактному апараті з рухомим шаром каталізатора газ подається знизу, а каталізатор — зверху (рис. 5.4). Каталізатор знизу виводять з апарата та направляють після регенерації знову наверх. Використовують, наприклад, для крекінгу нафтопродуктів у паровій фазі.
Рис. 5.4. Схема контактного апарата з рухомим шаром каталізатора
Контактний апарат із псевдозрідженим шаром каталізатора часто застосовують для виробництва продуктів органічного синтезу, коли каталізатор швидко втрачає активність і потребує неперервної регенерації. Тому контактний апарат з’єднано з регенератором каталізатора (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Схема контактного апарата із псевдозрідженим шаром каталізатора
До переваг двох останніх типів контактних апаратів відносять можливість використання часточок з меншими розмірами (відповідно збільшується поверхня поділу фаз) та більш повне використання їх внутрішньої поверхні, що приводить до збільшення продуктивності каталізатора, а, крім того, заміна каталізатора здійснюється безперервно. До недоліків слід віднести швидке стирання зерен каталізатора та забруднення продуктів процесу пилом від нього.