НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Основные характеристики катализаторов

Эффективность катализаторов в промышленных гетерогенных каталитических процессах во многом зависит от их технических характеристик:

1. Каталитическая активность, которая определяется количеством веществ, реагирующих в единице объема катализатора за единицу времени при определенных условиях.
2. Температура зажигания катализатора.
3. Селективность: характеризуется отношением скорости получения желаемого продукта к общей конверсии исходного вещества, учитывая состав и температуру реакционной смеси.
4. Гидродинамические свойства, определяемые размером, формой и плотностью частиц катализатора.
5. Механическая прочность.
6. Устойчивость к нагреванию, токсичности и времени работы.

Каталитическая активность (А) - это мера ускоряющего действия катализатора в конкретной химической реакции. Она определяется как отношение констант скорости каталитической и некаталитической реакций:

где E - энергия активации некаталитической реакции, а E_k - энергия активации каталитической реакции.

Если каталитическая и некаталитическая реакции имеют одинаковый порядок и поэтому их предэкспоненциальные коэффициенты в уравнении Аррениуса одинаковы, то каталитическая активность / определяется следующим образом:

Температура зажигания катализатора (T_З) - это самая низкая температура, при которой процесс начинает протекать со скоростью, достаточной для целей процесса. Чем выше активность катализатора, тем ниже температура воспламенения, т.е. чем выше активность катализатора, тем ниже температура воспламенения:

где K - константа, зависящая от природы катализатора..

Более низкая температура зажигания увеличивает рабочий интервал между T_З и диапазоном температур процесса, упрощает конструкцию реактора, снижает расход тепла на нагрев реактивов и стабилизирует работу процесса. В экзотермической каталитической реакции при определенном значении T_З скорость выделения тепла равна скорости отвода тепла (расход тепла на нагрев реакционной смеси и совместное образование тепла с продуктами реакции). В этом случае T_З является самой низкой температурой, при которой обеспечивается процесс саморазогрева.

Селективность катализатора - это способность избирательно стимулировать одну из реакций в системе, которая термодинамически способна к нескольким реакциям. Для сложной параллельной реакции, протекающей по схеме:

Таким образом, при заданной температуре T разность E₂ - E₁ может быть изменена выбором катализатора, тем самым направляя процесс на производство желаемого продукта.

Селективность катализатора очень важна в процессах химической технологии, таких как окисление аммиака при производстве азотной кислоты и различные процессы органического синтеза. Катализаторы можно использовать для получения различных целевых продуктов из одного и того же сырья.

Пористость катализатора представляет собой площадь его удельной поверхности и влияет на поверхность контакта между катализатором и реагентом. В каталитических процессах поверхность контакта твердого катализатора с реагентами очень важна, так как чем больше поверхность контакта, тем выше степень конверсии в целевой продукт, получаемый в единицу времени на одном и том же катализаторе.

Пористость катализатора выражается как отношение объема свободных пустот к общему объему катализатора и характеризуется удельной площадью поверхности, т.е. площадью поверхности, приходящейся на единицу массы или объема катализатора. Современные катализаторы имеют высокую удельную поверхность, достигающую 10-100 м²/г.

Механическая прочность. Контактная масса должна быть такой, чтобы она не ломалась под собственным весом на стационарном оборудовании каталитического слоя и не истиралась на подвижном оборудовании и оборудовании с псевдоожиженным слоем.

Устойчивость к контактным токсинам. Практическое применение гетерогенных каталитических процессов затруднено явлением снижения каталитической активности в ходе процесса. Причины этого следующие:

• Уменьшение площади каталитически активной поверхности из-за осаждения пыли и продуктов реакции.
• Механическое повреждение катализатора.
• Отравление катализатора вследствие отравления катализатора (контактное отравление).