Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

усложняется, но конечный результат удовлетворяет уравне­ ниям (XI.9, XI.11).

Если гетерогенно-каталитическая реакция лимитируется внутренней диффузией, т. е. диффузией газа внутри катали­ затора, то кинетическое уравнение получается в результате решения следующего уравнения:

Интенсивность диффузии вдоль оси потока / равна

л

где D] — эффективный коэффициент диффузии в порах ка­ тализатора.

Полагая, что реакция является необратимой и кинетиче­ ское уравнение может быть дано в интегрируемой форме, по­ лучаем в стационарном состоянии

Как показали И. И. Иоффе и Л. М. Письмен, в результате решения уравнения (XI . 12) может быть получено следующее кинетическое уравнение:

типа (XI.11), аналогичным кинетическому уравнению гомо­

квазигомогенных, или гомофазных, реакций и распространять их на все гомофазные реакции, в том числе и на гетерогеннокаталитические. Очевидно, скорость гетерогенно-каталитиче- ских реакций может быть выражена уравнениями гомофазной кинетики в тех случаях, когда аэродинамические факторы процесса не оказывают существенного влияния на его кине­ тику. Указанный подход не оправдывается в случае гетеро- генно-каталитических реакций во внешнедиффузионной обла-

сти, когда скорость потока реактантов существенно влияет на кинетику процесса. Однако с увеличением скорости потока реактантов интенсивность реакции возрастает и реакция мо­ жет перейти во внутридиффузионную область.

Распространение уравнений квазигомогенной кинетики на гетерогенно-каталитические реакции позволяет целиком ис­ пользовать методы кинетического расчета и оптимизации реакторов для осуществления гомогенных некаталитических

ние катализаторов требует решения ряда новых инженерных задач.

§ XI.6. Классификация гетерогенно-каталитических реакторов

Реакторы для осуществления гетерогенно-каталитических реакций называют гетерогеннонкаталитическими реакторами или контактными аппаратами. Как и нѳкаталитические реак­ торы, контактные аппараты могут работать периодически и непрерывно, являться реакторами идеального смешения, иде­ ального вытеснения и неполного смешения, могут быть изо­ термическими, неизотермическими и адиабатическими. Одна­ ко имеются различия по сравнению с некаталитическими ре­ акторами в применении указанных понятий к контактным ап­ паратам. Это относится к понятию адиабатического реактора. Каталитический адиабатический реактор в отличие от нека­ талитического может иметь внешние и внутренние теплооб­ менники, если последние не установлены в слое катализатора или не воздействуют термически на его слой.

слоя катализатора реализуется режим, близкий к идеальному вытеснению.

Зернистые катализаторы обладают малой теплопровод­ ностью, поэтому теплообмен в слое неподвижного зернистого катализатора затруднен. Однако интенсивность теплопереда­ чи в слое катализатора может быть увеличина, если исполь­ зовать движущийся или псевдоожиженный слой катализа­ тора.

290

катализатора осуществляется периодически. Как правило, од­ нажды загруженный .катализатор работает в течение многих месяцев, если не будет допущено его отравление или эрозия.

Однако в некоторых случаях отравление катализатора проис­ ходит очень быстро и тогда требуется регенерация катализа­ тора и его непрерывная загрузка и выгрузка. Технически это вполне осуществимо и в необходимых случаях предусматри­ вается. На рис. XI.4 изображены некоторые характерные кон­ струкции контактных аппаратов.

Специфической областью катализа является катализ в жидких пленках. В качестве примера такого процесса можно привести гидратацию этилена с получением этанола, осуще­ ствляемую в присутствии жидкой пленки фосфорной кислоты

(рис. XI.5). Жидкофазные катализаторы распространены зна­ чительно шире, чем это обычно предполагается. Так, катали­ тическое окисление S0 2 в SO3 в производстве серной кислоты, как показали исследования последних лет, выполненные под руководством Г. К. Борескова, осуществляется на поверхно­ сти ванадийсодержащего расплава, покрывающего тонким слоем алюмосиликатный пористый носитель. Катализ в жид­ ких пленках и, в частности, в пленках солевых расплавов, имеет перспективное значение в технологии.

§ XI.7. Характеристики промышленных катализаторов

Промышленные катализаторы должны одновременно удов­

гими, при засыпке в реактор катализатор укладывают рыхло или зернам придают такую форму (например, сферическую), которая исключает примыкание зерен друг к другу по граням. Катализатор из проволоки используют в виде сеток или ко­ ротких спиралей.

292

В настоящее время известны приемы, обеспечивающие по­ лучение пористых материалов с весьма высокой удельной по­ верхностью, составляющей десятки и сотни квадратных мет­ ров на грамм. В частности, такие материалы могут быть полу­

При применении пористых катализаторов требуется обе­ спечить определенным режимом синтеза, сушки и прокалки заданный размер пор и их расположение, т. е. создать необ­ ходимую вторичную структуру катализатора. Кроме того, су­ щественно, чтобы зерна катализатора имели сквозные поры, что обеспечивает большую доступность внутренней поверхно­ сти катализатора для исходных веществ и лучшие условия для удаления продуктов реакции из внутренних участков зер­ на катализатора. С этой целью осуществляют формование зерен катализатора в виде колец Рашига или цилиндриков с широким сквозным отверстием, вдоль оси. Катализатор с гра­ нулами такой формы называют кольцевым.

Высокая механическая прочность катализатора достига­ ется применением механически прочных носителей. Так, хотя для зернистых катализаторов, работающих в неподвижных слоях при трехметровой высоте слоя, давление на нижние зерна катализатора не превышает 0,1—0,3 кг/см2 , на самом деле прочность зерен катализатора на раздавливание должна быть в несколько раз более высокой вследствие неравномер­ ности нагрузки.

Необходимая термическая стойкость катализаторов до­ стигается подбором состава активных добавок и носителей. Считается, что катализатор не должен терять активности при температуре, на 100° превышающей рабочую температуру.

Постоянный химический состав достигается правильной технологией и использованием веществ высокой чистоты при синтезе катализаторов. Очень существенно, чтобы при при­ готовлении катализаторов не произошло загрязнения исход­ ных реагентов вредными примесями.

Требования в отношении механической прочности сильно возрастают, если речь идет о применении катализаторов в условиях кипящего слоя, так как в кипящем слое частицы катализатора интенсивно соударяются, истираются и измель­ чаются, в процессе работы. Это приводит, с одной стороны, к повышенным потерям катализатора (и, следовательно, к по­ вышенному расходу катализатора), а с другой — к загрязне­

293