
- •7. Исследование химического равновесия в проточном реакторе. Газовая хроматография
- •7.1. Основные понятия и определения
- •7.1.1. Газовая хроматография
- •7.1.2. Химическое равновесие. Константа равновесия
- •7.1.3. Каталитическая реакция в открытой системе.
- •7.1.4. Каталитическое дегидрирование спиртов
- •7.2. Лабораторные работы
- •7.2.1. Работа Хр-1. Определение константы равновесия реакции дегидрирования изопропанола
- •Устройство установки
- •7.2.2. Работа Хр-2. Определение константы равновесия реакции гидрирования ацетона
- •7.3. Контрольные вопросы
7.1.4. Каталитическое дегидрирование спиртов
Дегидрирование спиртов в альдегиды или кетоны является широко известным промышленным процессом, который имеет важное практическое значение при получении веществ, использующихся в косметической и фармацевтической отраслях. Дегидрирование изопропанола – это один из методов получения ацетона. Ацетон является сырьём для синтеза кетена, а последний – уксусного ангидрида. Из ацетона получают метилизобутилкетон и другие вещества. Один из ценных продуктов переработки ацетона – бифенол А, который является в свою очередь сырьём для производства поликарбонатов, полиуретанов и эпоксидных смол. Кроме того, дегидрирование изопропанола – очень удобный модельный процесс для изучения термодинамики и кинетики обратимой реакции.
Превращение изопропанола может происходить в трёх направлениях: (1) дегидрирование с образованием ацетона; (2) дегидратация с образованием пропилена; (3) дегидратация с образованием диизопропилового эфира. Обычно считается, что дегидрирование изопропанола происходит на сильных оснóвных центрах, но некоторые исследователи полагают, что процесс катализируется комбинацией кислотных и оснóвных центров, или редокс центрами и происходит по концертному механизму. Хорошо известно, что реакция дегидратации катализируется кислотными центрами.
Медь-содержащие катализаторы представляют большой интерес для реакции дегидрирования, поскольку, кроме особенностей окислительно-восстановительных свойств, имеют высокую селективность и сравнительно недороги. Обычно для этих реакций требуются катализаторы с высоким содержанием меди. Самым известным катализатором является хромит меди со структурой типа шпинели, содержащий 30–50 вес.% меди. В последнее время существуют строгие ограничения на содержание шестивалентного хрома, присутствия которого нельзя избежать при низкотемпературной (350–400 С) термообработке на воздухе катализаторной массы, поэтому многие исследователи заняты поиском медьсодержащих катализаторов другого состава, которые не представляли бы опасности для окружающей среды.
В предлагаемой лабораторной работе альтернативой хромиту меди (СС) является медно-кремниевый оксидный катализатор (CS). Получают оксидные катализаторы методом термической обработки совместных гидроксосоединений. В случае катализатора СС предшественником является гидроксокарбонат меди-хрома со структурой типа стихтита, в случае катализатора CS – гидроксосиликат меди. Некоторые характеристики этих катализаторов приведены в табл. 7.1.
Катализаторы первоначально находятся в оксидном состоянии, предварительно прокалённые в токе сухого аргона (CC) и воздуха (CS) при 350 и 450 С, соответственно.
Таблица 7.1
Характеристики медьсодержащих катализаторов
Образец |
Весовая доля Сu |
Фазовый состав до активации |
Фазовый состав после активации |
Размер частиц Cu0, нм |
Sуд Cu0, м2/г |
Хромит меди (СС) |
0,27 |
Шпинель CuCr2O4 |
Cu0/CuCr2O4 |
10–15 |
7 |
Меднокремниевый (CS) |
0,45 |
Хризоколла* |
Cu0/SiO2 |
3–8 |
24 |
*хризоколла – гидроксосиликат меди типа минерала хризоколлы Cu4H4[Si4O10](OH)8nH2O, представляет собой студенистый рентгеноаморфный осадок вплоть до 700 С.
Катализатор перед использованием в реакции требует восстановительной активации в водороде или в водородсодержащем газе. Температуру активации определяют на основании результатов дифференциального термического анализа (ДТА) в водороде. Максимум экзотермического эффекта, соответствующего восстановлению ионов меди из хромита меди находится при 200 С, для восстановления меди из хризоколлы – при 185–190 С. Полное завершение взаимодействия с водородом происходит в области 300 С для обоих образцов. Активацию катализаторов в водород-содержащем газе необходимо проводить при температуре 300 С в течение двух часов. Поскольку восстановление ионов меди водородом процесс экзотермический, то во избежание локальных перегревов подъём температуры необходимо проводить с небольшой скоростью не более 2 град/мин.