Лабораторная работа №1
«Приготовление катализатора методом пропитки»
Теоретическая часть
Общие сведения о катализаторах.
Катализаторы, вещества, изменяющие скорость хим. реакции или вызывающие ее, но не входящие в состав продуктов.
Различают катализаторы гомогенного и гетерогенного катализа. Типичные катализаторы для гомогенного катализа - протонные и апротонные кислоты, основания, некоторые комплексы металлов, для гетерогенного - металлы, оксиды металлов, сульфиды и других. Реакции одного и того же типа могут протекать в условиях как гомогенного, так и гетерогенного катализа. Так, для кислотно-основных реакций типичные катализаторы - растворы кислот и оснований или твердые тела с кислотными (Аl2О3, ТiO2, ТhO2, алюмосиликаты. цеолиты и др.) или основными [CaO, BaO, MgO, Ca(NH2)2 и др.] свойствами (см. Гетерогенный катализ. Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ). Для окислительно-восстановительных реакций наиб. распространенными катализаторами являются переходные металлы (Pt, Pd, Ni, Fe, Co), оксиды (V2O5, MnO2, MoO3, Сr2О3), в т.ч. шпинели. сульфиды (MoS2, WS2, CoS), а также полупроводники. не имеющие в своем составе переходных элементов.
Требования, предъявляемые к катализаторам. Катализаторы, используемые в промышленности, должны обладать постоянной высокой каталитической активностью, селективностью, мех. прочностью. термостойкостью. устойчивостью к действию каталитических ядов, большой длительностью работы, легкой регенерируемостью, определенными гидродинамическими характеристиками, незначительной стоимостью. Эти требования относятся, в первую очередь, катализаторы для гетерогенного катализа.
Единой теории подбора катализаторы не существует. Многие катализаторы, широко применяемые в промышленности, подобраны эмпирическим путем.
В технологических расчетах каталитическая активность определяется скоростью реакции, отнесенной к единице объема или массы катализаторы, и зависит от его химического состава. Поскольку формирование свойств катализаторы происходит не только во время его приготовления, но и во время эксплуатации, метод приготовления катализаторы должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Кроме того, во мн. случаях активность промышленного катализаторы увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).
В гетерогенном катализе активность катализатора, как правило, пропорциональна его удельной поверхности. Большой удельной поверхностью обладают пористые высокодисперсные катализаторы или катализаторы, полученные нанесением активных компонентов на пористые носители. С уменьшением размера частиц удельная поверхность возрастает. Однако при малых частицах и малых диаметрах пор возможен переход реакции из кинетической области во внутреннедиффузионную, когда внутреннюю поверхность зерна катализатора не полностью участвует в реакции.
Селективностью катализаторы называют отношение скорости накопления целевого продукта к сумме скоростей всех превращений исходного вещества. Можно выделить несколько факторов, которые определяют селективность и связаны с составом гетерогенного катализаторы Т. наз. эффект ансамбля определяется числом атомов катализаторы, с которыми взаимодействует одна молекула реагента.
Селективность может также изменяться благодаря изменению электронных свойств и окружения активных центров катализаторы (так называемый эффект лиганда). Кроме того, в реакциях сложных орг. молекул большое значение имеет преимуществ. образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализаторы.
В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы Их селективность выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора. Таковы, например, Bi-Mo-Fe-Co-Ni-K-оксидные катализаторы окислит. аммонолиза пропилена.
Механическая прочность катализатора обеспечивает его длительную эксплуатацию. Прочность определяется кол-вом контактов между зернами катализаторы и при увеличении пористости уменьшается. Поэтому в некоторых случаях подбирают оптимальную пористость катализаторы для сохранения его прочности при необходимом значении внутренней поверхности. В реакторах с неподвижным слоем катализаторы должны быть устойчивы к давлению лежащих выше слоев, мех. воздействиям при загрузке и выгрузке, изменению температуры, эрозии потоком жидкости или газа. в реакторах с псевдосжиженным слоем - к истиранию при ударах частиц друг о друга и о стенки реакторов. Повышение мех. прочности катализаторы достигается применением спец. методов приготовления - таблетированием при высоких давлениях, применением инертных связующих (SiO2, графит) и т.д. В псевдоожиженном и в движущемся слоях применяют зерна катализаторы сферической формы с гладкой поверхностью.
Термостойкость катализаторы особенно важна для первых по ходу реагента слоев катализаторы в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторы. Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители.
Устойчивость катализаторы к действию ядов каталитических определяется спецификой взаимодействия последних с катализаторы. Металлические катализаторы отравляются соединениями кислорода (Н2О, СО), серы (H2S, CS2 и др.), N, Р, As и др. веществами, образующими более прочную хим. связь с катализаторы, чем реагирующие вещества. Способность катализаторов к регенерации позволяет использовать его многократно. Регенерация катализаторы так же специфична, как и действие ядов. После длит. работы катализаторы очищают обработкой кислотой, щелочью или орг. растворителями. Необратимо отравленные катализаторы, в особенности содержащие ценные металлы, подвергают полному растворению с последующим извлечением этих металлов и использованием их для нового приготовления.
Из гидродинамических характеристик наибольшее значение имеет гидравлическое сопротивление слоя катализаторы, которое уменьшается с ростом размера гранул и доли свободных объема между ними. Однако при больших размерах гранул катализаторы процесс может перейти во внутреннедиффузионную область. Для нахождения оптимального решения применяют катализаторы в форме таблеток или колец разной высоты и диаметра.
