Реферат: Лабораторные исследования промышленных катализаторов 2

Для определения удельной каталитической активности (активности единицы поверхности), надо замерить всю внутреннюю поверхность и полностью ее использовать в реакции, т.е. вести процесс в кинетической области. Тогда скорость реакции выразится формулой:

, (2)

где С_н – начальная концентрация реагента, χ – степень превращения в целевой продукт реагента (выход продукта), S_уд – удельная поверхность контакта.

Методы определения кинетических характеристик делятся на 2 группы:

1) Статистические (в закрытых системах);

2) Проточные – в открытых системах.

1.1. Статистический метод

Реакцию проводят в замкнутом объеме до установления термодинамического равновесия или полного превращения реагента. При этом измеряется концентрация от исходной до равновесной. Соответственно, по закону действующих масс, измеряется и скорость реакции.

Чаще всего этот метод используют для процессов, приводящих к изменению числа молей, что позволяет следить за ходом реакции по изменению давления. Одним из таких процессов является реакция водорода с кислородом. Перед опытом в установке устанавливают вакуум (1,33 мПа). В процессе реакции через определенные промежутки времени измеряют давление, по изменению которого рассчитывают скорость реакции.

Основными преимуществами метода являются:

- возможность работы с малым количеством исходных веществ

- возможность работы с катализатором любой формы

- получение всей кинетической кривой в одном опыте.

Основным недостатком метода является справедливость допущения квазистационарного протекания реакции, влияющая на правильность выводов из результатов, полученных этим методом.

Этот метод рекомендуют применять в тех случаях, когда изменение состава реакционной смеси заметно не сказывается на составе и активности поверхности катализатора и когда изменение состава поверхности катализатора происходит гораздо быстрее, чем реакция.

Вариантом статистического метода является проведение реакций в жидкой фазе (например, гидрирование органических веществ). Из-за невысокой чувствительности метода (в отличие от газовой фазы) обычно используют катализатор в виде зерен и порошков, но не в виде пленок или нитей.

К недостаткам этого метода следует отнести:

- его интегральный характер (дифференцирование опытных данных)

- возможные перепады температур и концентраций.

Поэтому в настоящее время этот метод находит весьма ограниченное применение при изучении активности промышленных катализаторов.

1.2. Проточные (динамические) методы

В этих установках поток реагента пропускают с определенной скоростью через реакционный объем, содержащий катализатор, и замеряют параметры процесса, анализируют состав на входе в реактор, на выходе из него и в разных точках объема. Проточные реакторы позволяют проводить кинетические исследования в установившихся условиях (исходные концентрации, температура, давление, степень перемешивания).

Наиболее распространенными типами проточного метода являются:

1. Проточный

2. Безградиентный проточно-циркуляционный

1.2.1. Проточный метод

Это интегральный и непрерывный метод. Процесс может быть осуществлен как угодно долго при заданных концентрациях, температурах, давлениях, линейных и объемных скоростях газового потока на входе в реактор. При этом концентрации веществ и другие параметры изменяются по длине (высоте) реактора в результате химического превращения.

Плюсом таких установок является их аппаратурное оформление, которое проще, чем у статических установок, но недостаток – меньшая чувствительность.

При использовании этого метода с неподвижным слоем катализатора допускают движение газа в режиме идеального вытеснения, т.е. отсутствием радиальных градиентов температур, давлений и концентраций. Тогда среднюю скорость процесса по высоте слоя или времени контакта определяют интегрированием (1) и (2). Кроме того возможно применение графического дифференцирования зависимости , но это вносит свою погрешность.

Основное достоинство проточного метода – возможность определения каталитической активности при стационарном состоянии катализатора. К другим достоинствам относятся: простота конструктивного оформления, непрерывность работы, возможность проверки катализатора в условиях, близких к производственным. Существенный недостаток – невозможность прямого измерения скорости реакции и трудность осуществления режима идеального вытеснения.

Данный метод нашел применение при изучении реакций окисления оксида углерода, сернистого ангидрида, аммиака, спиртов и др.

Общая схема проточной установки для определения активности катализатора SO₂ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Стандартная установка для испытания активности катализаторов окисления SO₂ проточным методом:

1 – дрексель, 2 – смеситель газов, 3 – контактная трубка, 4 – электрическая печь, 5 – поглотительная склянка с серной кислотой, 6 – аспиратор, 7 – анализатор, 8 – термопара.

Газовую смесь через смеситель 2 направляют в реактор с контактной массой. Для регулирования температуры в отдельных частях слоя контактной массы с достаточным приближением к изотермичности, контактная трубка 3 помещена с электрическую печь 4. Концентрацию сернистого ангидрида определяют до и после контактной трубки.

1.2.2. Безградиентный проточно-циркуляционный метод