ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Подбор катализаторов из "Управление реакциями нефтехимического синтеза Издание 2" Для сохранения температурного режима реакции и устранения перегрева или охлаждения зерен катализатора важен также перенос тепла между газовым потоком и поверхностью зерен, который, как и перенос вещества, определяется характером движения газа. [c.94] Как известно, граница области ламинарных режимов для незаполненных насадкой труб начинается при значении критерия Рейнольдса 2300. Однако это не относится к условиям протекания газа в химических реакторах, в которых реакционный объем заполнен зернами катализатора. Наличие насадки облегчает образование завихрений и переход к турбулентному режиму. Здесь, по данным Жаворонкова, этот переход начинается уже при Ке=50—60 [61]. [c.94] Эффективное использование внещней поверхности зерна контакта — лишь часть задачи, которую необходимо решить, подбирая условия проведения каталитического процесса. [c.94] Поэтому очень важным является вопрос об использовании реакции внутренней поверхности катализатора, которая во много раз превосходит внешнюю. Степень использования внутренней поверхности (как и внешней) определяется соотношением между скоростью диффузии реагентов к этой поверхности и скоростью химического превращения их на ней [62]. [c.94] В зависимости от того, какая стадия каталитического процесса является наиболее медленной, различают три области, определяющие скорость протекания всего процесса. [c.94] Если скорость химической реакции настолько мала, что она совсем не лимитируется переносом вещества ни к внещней, ни к внутренней поверхности контакта, и концентрации реагентов в газовой фазе, на поверхности зерна и в центре его примерно равны, то область прохождения процесса называют областью химической кинетики. В этом случае происходит полное использование всей внутренней и внещней поверхности катализатора, и закономерности всего процесса определяются закономерностями химического превращения. [c.95] Промежуточное положение занимает область внутренней диффузии. При этом скорость переноса вещества к внешней поверхности достаточно велика, и концентрации реагентов на этой поверхности и в газовой фазе приблизительно равны. Но диффузия внутри зерна намного медленнее химической реакции, и поэтому концентрация реагентов в центре зерен меньше концентрации у наружной поверхности и в пределе может быть равна нулю. Здесь лишь частично используется внутренняя поверхность. Это использование может колебаться в широких пределах, приближаясь либо к области химической кинетики, либо к области внешней диффузии в зависимости от соотношения скоростей внутренней диффузии и химической реакции. [c.95] Увеличение пористости сопровождается увеличением поверхности контакта (что ведет к ускорению процесса) и уменьщением радиуса пор (что затрудняет диффузию, и, следовательно, вызывает замедление процесса). [c.96] В соответствии с изложенным выше величина необходимого внутреннего радиуса пор для медленных реакций определяется лишь возможностью встречной диффузии в порах и составляет около 10 см. Для реакций средней и большой скоростей радиус пор должен быть таким, чтобы обеспечивались наиболее выгодные условия диффузии, и поэтому он не может быть меньше длины свободного пробега молекулы. При атмосферном давлении это составляет 10 см [63]. При повышении давления до величины порядка сотен атмосфер длина свободного пробега сокращается и степень использования внутренней поверхности увеличивается. [c.96] Полнота использования внутренней поверхности повышается также с уменьшением средней длины пор, т. е. с уменьшением размера катализаторного зерна. Однако уменьшение размера зерен ведет за собой повышение гидравлического сопротивления слоя катализатора и не всегда целесообразно. [c.96] В кинетической области размер зерна не влияет на использование его поверхности, и поэтому для процессов, идущих в этой области, целесообразно применять крупные зерна. В области внутренней и внешней диффузии уменьшение размера зерен улучшает использование внутренней поверхности катализатора. Это позволяет получить тот же эффект при меньшем количестве катализатора, т. е. при меньшей высоте его слоя. Таким образом, повышение гидравлического сопротивления в результате уменьшения размера зерен отчасти компенсируется снижением высоты слоя. В этих случаях можно применять зерна меньшего размера. [c.96] Для этой цели подбирается катализатор, более активный по отношению к одному из компонентов. Однако если этот катализатор — мелкопористое тело, то поры будут менее доступны для той реакции, которая идет на этом катализаторе с большей скоростью, и более доступны для медленной реакции, т. е. медленная реакция будет идти на большей поверхности, чем быстрая. Таким образом, увеличение пористости контакта в данном случае ведет к уменьшению его избирательности. При избирательности этого типа требуются крупнопористые контакты. [c.97] Примером такой избирательности может служить гидрирование этилена в присутствии бензола. Условия можно подобрать так, что бензол практически не будет подвергаться изменениям. Но если сильно увеличить внутреннюю поверхность катализатора, избирательность ухудшится. [c.97] Если две конкурирующие реакции имеют один и тот же кинетический порядок, то изменение концентрации одинаково влияет на обе реакции и, следовательно, пористость не отражается на избирательности. Если же реакции имеют разный порядок, то избирательность зависит от размера пор. Чем выше порядок реакции, тем больше снижается ее скорость при повышении пористости. Руководствуясь этой закономерностью, подбирают зерна необходимой пористости для данного типа избирательности. [c.98] Роль катализатора сводится к тому, чтобы изменить соотношение скоростей реакций образования полезного продукта и разложения его в пользу реакции образования. В этом случае структура пор иногда может оказывать значительное влияние на выходы полезного продукта, снижая их почти вдвое. Снижение выходов будет тем большим, чем тоньше и длиннее поры катализатора. Это объясняется тем, что нестойкая молекула полезного продукта, образующаяся внутри капилляра, прежде чем выйти в газовую фазу, должна совершить несколько беспорядочных соударений со стенками капилляра. При этих соударениях часть молекул претерпевает дальнейшее превращение. [c.98] Уиллером предложен метод определения влияния размера пор на избирательность данного типа. Здесь мы не будем подробно разбирать этот вопрос. Отметим только, что повышение выходов полезного продукта в данном случае может быть достигнуто максимальным уменьшением размера зерен катализатора, чем достигается сокращение длины пор. [c.98] Размер зерен катализатора в некоторых процессах может быть очень малым — порядка нескольких десятков микрон (реакции в псевдоожнженном слое). [c.99] При подборе промышленного катализатора приходится решать много проблем. К ним относится обеспечение достаточной активности и избирательности катализатора, его стойкости в условиях реакции, механической прочности, подбор способа регенерации, продление времени сохранения активности. Все эти показатели в большей или меньшей степени зависят от состава катализатора и способа его приготовления. [c.99] Современное состояние теории катализа не дает возможности подобрать состав катализатора на основании лишь теоретических данных о свойствах реагентов и реакции, которую он должен катализировать. Подбор катализаторов осушествляется главным образом на основе простой аналогии и некоторых теоретических соображений качественного характера. Требуются многочисленные эксперименты, прежде чем удается получить хороший катализатор. Добавим, что теория не позволяет оценить и того, является ли данный катализатор наилучшим, или его можно еще улучшить, меняя частично состав, добавляя активаторы и т. п., поэтому работу по подбору катализатора по существу никогда нельзя считать законченной. [c.99] Существенный успех в разработке теоретических основ подбора катализаторов достигнут академиком А. А. Баландиным и его школой [54]. [c.99] Вернуться к основной статье