Свойства катализаторов

Катализаторы

- вещества, которые участвуют в реакции, образуя промежуточные соединения, изменяют механизм и увеличивают скорость реакции, но восстанавливают свой состав по окончании процесса.

Рассмотрим механизм действия катализатора (К) на примере простой реакции А + В ® С Е₀ - энергия активации некаталитической реакции.

Действие катализатора изменяет механизм реакции, причем энергии активации каждой из стадий каталитического взаимодействия ниже, чем Е₀, в результате реакция протекает по энергетически более выгодному пути и скорость ее увеличивается.

В зависимости от того, находится катализатор в одной или в разных фазах с реагентами, различают гомогенные и гетерогенные катализаторы. В промышленности в основном применяются гетерогенные катализаторы, т.к. они имеют ряд преимуществ по сравнению с гомогенными: меньше их расход на единицу продукции, они легче отделяются от продуктов реакции, не требуется отмывка продуктов от катализатора, поэтому нет сточных вод.

Свойства катализаторов

Активность катализатора - мера его ускоряющего действия на данную реакцию.

Селективность(избирательность)- способность катализатора избирательно ускорять целевую реакцию;

Температурная чувствительность. Катализатор может работать только в определенном температурном интервале, нижний предел которого - температура зажигания - минимальная температура, при которой реакция начинает протекать со скоростью, достаточной для получения целевого продукта. Верхний предел температурного интервала определяется устойчивостью катализатора: при повышении температуры выше этого предела катализатор теряет активность за счет спекания пор, может изменяться его химический состав. Пример: V₂O₅ применяется в производстве серной кислоты при окислении SO₂ в SO_3. Его Т_ЗАЖ =400⁰, а при Т=620⁰ катализатор теряет активность, спекается.

Устойчивость к каталитическим ядам.

Каталитические яды - вещества, которые, взаимодействуя с катализатором, снижают его активность, происходит отравление катализатора. Для многих катализаторов ядами являются соединения серы, мышьяка, селена. Действие ядов индивидуально. Для отравления катализатора достаточно очень малых количеств этих веществ, поэтому в каталитических реакциях важнейшей стадией является очистка реагентов от примесей.

Со временем активность катализатора снижается. Этот процесс называют старением катализатора. Длительность жизни различна для разных катализаторов: от 15 лет для Pt катализатора в производстве Н₂SО₄ до 15 минут для алюмосиликатного катализатора крекинга нефтепродуктов.

Требования к гетерогенным катализаторам:

1) высокая активность и селективность;

2) простота получения, обеспечивающая воспроизводимость свойств;

3) механическая прочность;

4) устойчивость в течение всего срока службы;

5) способность к регенерации;

Трудно подобрать индивидуальные вещества, удовлетворяющие всем этим требованиям, поэтому используют смеси - контактные массы. Основными компонентами контактной массы являются:

а) катализатор, б) активатор (промотор) в) носитель(трегер).

Активаторы увеличивают активность катализатора, например, активность железных катализаторов, применяемых в синтезе аммиака, увеличивают добавки оксидов калия и натрия. Механизмы действия активаторов разнообразны: они могут образовывать химические соединения, могут влиять на поверхность, препятствуя спеканию пор, могут изменять характер действия катализатора. Например, при получении метанола из синтез-газа катализатором служит оксид цинка. Небольшая добавка активатора - NaOH приводит к получению другого продукта - высших спиртов.

Носители - инертные пористые вещества, на которые наносят катализатор - пемза, асбест, силикагель и др. Применение носителей удешевляет катализатор, увеличивает его пористость и механическую прочность.

Методы приготовления катализаторов:

1) осаждениегидроксидов или карбонатов из растворов на носителе;

2) пропитка носителя раствором, содержащим катализатор и активатор;

3) прессование компонентов контактной массы

4) сплавлениенескольких компонентов с последующим выщелачиванием одного из них или восстановлением металлов из оксидов. Так, например, скелетный никелевый катализатор гидрирования получают сплавлением никеля с алюминием с последующим выщелачиванием алюминия из сплава.

Обычно катализаторы формуют в виде зерен или таблеток. Металлические катализаторы часто применяют в виде сеток.

Показатели эффективности использования катализаторов и адсорбентов

1. расходные коэффициенты: РК_kt= РК_АДС=

2. Производительность Пр_kt = Пр_АДС =

Пр_kt = Пр_АДС =

Мембраны

Мембраны – это тонкие полупроницаемые перегородки, пористые или непористые, применяемые для очистки и разделения однородных смесей.

Механизм разделения

Мембранное разделение веществ имеет внешнее сходство с процессом фильтрации, применяемым при разделении неоднородных смесей, но принципиально иной механизм:

При разделении веществ через мембрану осадка не образуется, одни вещества проходят через мембрану, образуя пермеат, а другие уносятся с потоком концентрата.

Разделение через пористые мембраны основано на ситовых эффектах: мелкие молекулы проникают через мембрану, а крупные остаются в концентрате. Перенос вещества через непористые мембраны происходит иначе: вещество сначала растворяется в материале мембраны, а затем из мембраны диффундирует в раствор.