Тема№3 : Промышленный катализ
Какие вещества называются катализаторами?
Катализаторы – это вещества, которые многократно вступают в промежуточное взаимодействие с участниками реакции, изменяют ее механизм и увеличивают скорость реакции; при этом они восстанавливают свой химический состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.
В чем заключается природа действия катализаторов?
Существует большое количество теорий, объясняющих действие катализатора. Наибольшее
распространение получила теория промежуточных состояний, согласно которой химическая
реакция между реагентами заменяется на две или более реакции реагентов с катализаторами, когда
образуются непрочные химические соединения между реагентами и катализаторами. Ускоряющее
действие катализатора заключается в понижении энергии активации химической реакции.
Может ли катализатор сместить равновесие химической реакции?
Нет не может. Он только может увеличить скорость прямой и обратной реакций в равновесном процессе.
Перечислите основные технологические характеристики твердых катализаторов и дайте их определение?
90 % химических реакций являются каталитическими. Под катализом понимают изменение скорости при применении катализатора.
Катализ может быть положительным и отрицательным.
Если катализ отрицательный, то вещества называют ингибиторами.
Катализатор применяют в трех агрегатных состояниях, в основном применяют твердый катализатор (производство серной кислоты, синтез аммиака, производство азотной кислоты и т.д.); жидкие катализаторы применяются при осуществлении ХТП в жидкой среде; применение газообразных катализаторов очень редко.
Какая кинематическая модель гетерогенных процессов подходит для описания каталитической реакции на твердом пористом катализаторе?
Гетерогенно - каталитическая реакция на поверхности твердого катализатора — это сложный многостадийный процесс. Наблюдаемая общая скорость каталитической реакции зависит от относительных скоростей нескольких различных по своей физической и химической природе стадий.
Элементарные стадии гетерогенного катализа представлены на рисунке 7.2.
1 – газовый поток; 2 – пограничный слой; 3 – внешняя поверхность
катализатора; 4 – поры катализатора; 5 – внутренняя поверхность пор катализатора.
I– внешняя диффузия реагентов из ядра газового потока к поверхности раздела фаз;
II– внутренняя диффузия реагентов в порах катализатора;
III– активированная адсорбция с образованием поверхностных не прочных химических соединений – активированных комплексов;
IV– перегруппировка атомов с образованием активированных комплексов продукт–катализатор;
V– десорбция продукта с поверхности;
VI– внутренняя диффузия продукта в порах катализатора;
VII– внешняя диффузия продукта в ядро газовой поверхности.
Таким образом, гетерогенно-каталитический процесс – это сложная система последовательных и параллельных стадий, имеющих разную природу. Как и в случае некаталитического гетерогенного процесса, одна из стадий может оказывать наиболее сильное тормозящее воздействие на весь процесс, тогда скорости остальных стадий «подстраиваются» под скорость этой наиболее затрудненной стадии, которая может быть названа лимитирующей.
Какие отрицательные последствия может вызвать протекание каталитической реакции на твердом катализаторе во внешней диффузионной области?
Каталитический процесс протекает во внешне диффузионной области при большом диаметре зерен катализатора, малой линейной скорости газа относительно катализатора и очень высоких температурах.
Реализация каталитического процесса во внешнедиффузионной области может сопровождаться некоторыми нежелательными явлениями. Вследствие подобия явлений массо- и теплопередачи при затрудненной диффузии коэффициенты теплопередачи от поверхности катализатора в газовый объем невелики. Для экзотермических реакций это может привести к сильному разогреву катализатора, нежелательному для обратимых процессов, так как это приводит к смещению равновесия в обратную сторону. При протекании последовательных реакций торможение транспорта промежуточного продукта способствует более длительному пребыванию его у поверхности и благоприятствует побочным превращениям, что приводит к снижению селективности. Скорость процесса при переходе во внешнедиффузионную область очень существенно снижается по сравнению с протеканием реакции в кинетической области; например, скорость окисления аммиака может уменьшиться на 99 %, окисление диоксида серы на 2,5–47 % по сравнению со скоростью в кинетической области. Переходу процесса из внешнедиффузионной области в кинетическую область способствуют снижение температуры процесса, увеличение линейной скорости газа или интенсивности перемешивания, снижение давления, уменьшение размеров гранул катализатора. 7) что такое коэффициент эффективности использования поверхности катализатора?
8) Какие допущения лежат в основе вывода изотермы Ленгмюра? Насколько они справедливы для реальных случаев адсорбции реагентов на катализаторе? 9) Выведите уравнение изотермы абсорбции Ленгмюра. 10) Почему кажущаяся энергия активации каталитической реакции, как правило, ниже истинной энергии активации?
11) Сформулируйте основные положения кинетической модели Ленгмюра –Хиншельвуда?
Кинетическая модель Ленгмюра – Хиншельвуда. В рамках этой модели предполагается, что поверхностные концентрации реагирующих веществ являются равновесными по отношению к их объемным концентрациям, а молекулы в адсорбированном слое довольно подвижны и, прежде чем десорбироваться, подвергаются многочисленным столкновениям.