Классификация катализа. Основные параметры катализаторов.

Катализ и катализаторы

Классификация катализа. Основные параметры катализаторов.

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализатороввеществ, принимающих участие в химической реакции, но в состав конечных продуктов не входящих и в результате реакции не расходующихся.

Одни катализаторы ускоряют реакцию (положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ). Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ.

При гомогенном (однородном) катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии и между ними отсутствует поверхность раздела. Пример гомогенного катализа – реакция окисления SO2 и SO3 в присутствии катализатора NO (реагирующие вещества и катализатор являются газами).

Гетерогенный катализ.

В случае гетерогенного (неоднородного) катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела.

Обычно катализатор – твердое вещество, а реагирующие вещества – жидкости или газы.

Пример гетерогенного катализа – окисление NN3 до NO в присутствии Pt (катализатор – твердое вещество).

Механизм действия катализаторов

Действие положительных катализаторов сводится к понижению энергии активации реакции Еа(исх), действие ингибиторов – противоположное.

Так, для реакции 2HI = H2+I2Еа(исх)=184 кДж/моль. Когда же эта реакция протекает в присутствии катализатора Au или Pt, то Еа(исх)=104 кДж/моль, соответственно.

Механизм действия катализатора при гомогенном катализе объясняется образованием промежуточных соединений между катализатором и одним из реагирующих веществ.

Далее промежуточное соединение реагирует со вторым исходным веществом, в результате чего образуется продукт реакции и катализатор в первоначальном виде.

Так как скорость обоих промежуточных процессов значительно больше скорости прямого процесса, то реакция с участием катализатора протекает значительно быстрее, чем без него.

Например, реакция:

SO2 +1/2 O2 = SO3 протекает очень медленно, а если использовать катализатор NO

то реакции NO +1/2О2 = NO2 и NO2 +SO2 = SO3 +NO протекают быстро.

Механизм действия катализатора при гетерогенном катализе иной.

В этом случае реакция протекает вследствие адсорбции молекул реагирующих веществ поверхностью катализатора (поверхность катализатора неоднородна: на ней имеются так называемые активные центры, на которых и адсорбируются частицы реагирующих веществ.).

Увеличение скорости химической реакции достигается, в основном, за счет понижения энергии активации адсорбированных молекул, а также, отчасти, за счет увеличения концентрации реагирующих веществ в местах, где произошла адсорбция.

Каталитические яды и промоторы.

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность катализатора, такие вещества называют каталитическими ядами.

Например, небольшие примеси серы (0,1%) полностью прекращает каталитическое действие металлического катализатора (губчатого железа), использующегося при синтезе аммиака. Вещества, повышающие активность катализатора, называют промоторами.

Например, каталитическая активность губчатого железа значительно возрастает при добавлении примерно 2% метаалюмината калия KAlO2.

Применение катализаторов

Действие катализатора избирательно и специфично. Это означает, что, применяя различные катализаторы, из одних и тех же веществ можно получить различные продукты. Это особенно характерно для реакций органических веществ. Например, в присутствии катализатора AlO3 происходит дегидратация этилового спирта, в присутствии Cu – дегидрирование:

Биологические катализаторы, принимающие участие в сложных химических превращениях, протекающих в организме, называются ферментами.

Катализаторы широко используются в производстве серной кислоты, аммиака, каучука, пластмасс и др. веществ.

Метельский А.В
Источник: Метельский А.В., Химия в Экзаменационных вопросах и ответах, Минск, изд. «Беларуская энцыклапедыя», 1999 год
Дата в источнике: 1999 год

Источник: https://mplast.by/encyklopedia/kataliz-i-katalizatoryi/

Промышленные катализаторы

Классификация катализа. Основные параметры катализаторов.

Купим промышленные катализаторы в любом объеме в Ростове-на-Дону и Ростовской области.

О катализаторах

Катализатор является химическим веществом, который помогает ускорить реакцию. Он имеет широкое применение в различных отраслях промышленности. Главными потребителями катализатора являются нефтеперерабатывающая отрасль, нефтехимическая, химическая, успешно применяются в сфере экологии и защиты окружающей среды.

Классификация

Все выпускаемые устройства классифицируются:

  • По типу реакции катализа – кислотно-основной, окислительно-восстановительный
  • По группе процесса катализа – синтез аммиака, крекинг нефтепродукта
  • По природе используемой активной основы – металлический, окисный, сульфидный, комплексный и прочие
  • По методу изготовления

Во всех катализаторах используются цветные и драгоценные металлы: платина, алюминий, железо, хром, никель, ванадий, кобальт, висмут, серебро, золото и многие другие.

Промышленные катализаторы также бывают гомогенными и гетерогенными. Гомогенный — находится в общей фазе с реагирующим веществом.

Катализатором образующим собственную фазу, разделенную от реагирующих веществ – называют гетерогенным.

Применяя промышленный и другие виды катализаторов мы можем не только спасти природу от отравляющих веществ, которые существуют на любом производстве, но и сэкономить сырье.

Применение в промышленности

Бурный рост промышленности, который мы сейчас наблюдаем, не был бы возможен без развития и появления новых химических технологических процессов.

В большей мере прогрессу способствует широкое использование катализаторов, именно они помогают превратить сырье низкого сорта в продукты высокого сорта. Катализатор можно сравнить с философским камнем, который, считалось, превращает некоторые металлы в золото.

Но вот только катализаторы превращают сырье в различные лекарственные препараты, в пластмассу, в химреактивы, в топливо, в полезные и нужные удобрения и прочие полезности.

Применение катализаторов

Значимым событием для практического использования катализатора считается начало производства маргарина методом каталитического гидрирования растительных масел.

Впервые это осуществили в самом начале 20-го века, а уже в двадцатых годах ученые разработали каталитические методы с целью получить новые органические материалы.

Олефины, нитрилы, эфиры, кислоты стали своего рода «кирпичиками» для производства пластмасс.

Очередной волной, когда стали использовать промышленные катализаторы, стала нефтепереработка. Вскоре, в этой области промышленности без катализатора уже не обходились, так как эти устройства применяются на всех стадиях процесса, таких как:

  • Крекинг
  • Риформинг
  • Гидросульфирование
  • Гидрокрекинг
  • Изомеризация
  • Полимеризация
  • Алкилирование

В последние годы широкое применение получили катализаторы в сфере охраны окружающей среды. Самое известное устройство, которое помогает нам сохранить экологию – это катализатор выхлопных газов в автомобилях.

Области применения нейтрализаторов постоянно расширяются, реакция катализа дает возможность улучшить разработанные ранее технологии. Например, каталитический крекинг был усовершенствован благодаря применению цеолитов.

Гидрирование

В основном, каталитические реакции связаны с тем, что активируется атом водорода с какой-нибудь другой молекулой, что и приводит к химическим взаимодействиям.

Данный процесс называют гидрированием, и именно он является основой для многих этапов в нефтепереработке, а также при получении из угля жидкого топлива.

Во время войны, в Германии широко применялся процесс гидрирования для производства бензина для самолетов и топлива для авто из угля, ведь в Германии нет нефти.

Гидрирование растительных пищевых масел

Еще одно полезное свойство, которое имеют катализаторы в пищевой промышленности – это гидрирование растительного масла в маргарин, кулинарный жир, прочие пищевые продукты. В этом случае на катализатор или подложку наносят мелкодисперсный порошок никеля.

Дегидрирование

Данную химическую реакцию катализа применяют реже, чем гидрирование, но, тем не менее, она также важна, она помогает получить стирол, пропан, бутан, бутен.

Кислотный катализ

Активность большинства катализаторов определяется и зависит от их кислотных свойств. Именно кислотные промышленные катализаторы в большинстве случаев применяют при нефтепереработке, для получения парафинов, углеводородов ароматических. Самое новое в применении катализаторов – это получение этилированного топлива, а также высокооктановых видов бензина.

Необходимо сказать, что до сих пор нет единой каталогизации промышленных катализаторах. Всё идет опытным путем. Классифицируют катализаторы на основе такие параметров:

  • Тип реакции катализа
  • Природа вещества, который является активным
  • Группа каталитического процесса.

Наиболее комплексный вариант – это именно третий, так как именно он наиболее ориентирован на современную промышленность – нефтехимическую, химическую, нефтеперерабатывающую.

История создания

Считается, что первый случай применения катализатора – это производство из спирта при помощи серной кислота в качестве катализатора, этилового эфира. В 18 веке было совершено открытие каталитического действия кислоты для осахаривания крахмала.

Здесь, в качестве катализатора были использованы глина и некоторые виды металлов. Но все-таки, еще не существовало понятие «катализ». Только в 1834 году было введено Митчерлихом такое понятие, как «контактная реакция».

Название «катализ» было предложено Берцелиусом через год – в 1835 году.

Применение металлической платины для окисления было запатентовано в 1831 году ученым Филлипсом, но промышленного применения данный способ катализа не получил по ряду причин (платина снижала свою активность при соединении с мышьяком и некоторыми другими ядовитыми веществами, содержащимися в газах).

После того, как разработали способ очистки различных газов от ядовитых веществ, стало возможно создать первые крупные промышленное устройство. Он был введен в эксплуатацию в России в 1897 году, запатентован в 1902 году.

Сегодня самые важные и крупные предприятия различных отраслей применяют промышленные «каты», и для каждого процесса используется свой вид катализатора, который имеет оптимальное сочетание свойств.

Объем производства данных устройств в мире составляет более 800 тысяч тонн в год. Некоторые из катализаторов работают от 6 месяцев до года, у других эксплуатационный срок гораздо выше – до 10-12 лет. После того, как исчерпан лимит работы, катализатор необходимо правильно утилизировать.

Наша компания предлагает вам выгодные условия продажи по оптимальным ценам. Обращайтесь к нам – помните, что в катализаторах содержаться не только драгметаллы, но и вредные вещества. Не выбрасывайте устройства на свалки, лучше спасти природу, да еще плюс к этому и получить неплохую сумму денег за утиль.

Источник: http://catalyst.rnd.name/promyshlennye-katalizatory/

Классификация катализа и катализаторов

Классификация катализа. Основные параметры катализаторов.

Химики-технологи подразделяют катализаторы на два типа – гетерогенные и гомогенные в зависимости от агрегатного состояния катализатора и реагентов. К гомогенным катализаторам относят те, которые ведут процессы, когда и катализатор и реагирующие вещества находятся в одной и той же фазе – жидкой или газовой.

Примеры:

Газофазный гомогенный катализ

1. Окисление диоксида серы:

SO2 + NO2 = SO3 + NO

NO + 0,5O2 = NO2

SO2 + 0,5O2 = SO3

2. Разложение ацетальдегида:

СН3СНО > СН4 + СО

Без катализатора реакция идет с Eа = 190 кДж/моль. В присутствии паров йода этот процесс протекает в две стадии:

СН3СНО + I2 > СН3I + НI + СО

СН3I + НI > СН4 + I2

с Eа = 54 кДж/моль; константа же скорости реакции при этом увеличивается приблизительно в 105 раз.

Жидкофазный гомогенный катализ: например, гидролиз сложного эфира с кислотным катализатором.

HCl +H2O – H3O+ + Cl-

СН3СООR + H3O+ > СН3СООH + ROH + H+

СН3СООR + H2O (H+ + Cl-) > СН3СООH + ROH (H+ + Cl-)

Образующаяся при гидролизе кислота диссоциирует с образованием протонов, которые могут автокаталитически ускорять гидролиз сложного эфира:

R1С(О)ОR2 + Н2О (Н+) > R1С(О)ОН + R2ОН

В тех случаях, когда катализатор и реагенты находятся в разных агрегатных состояниях, реализуется гетерогенный катализ. Чаще всего катализатор твёрдый, а реагенты находятся в газовой или жидкой фазе. Принципиальная особенность гетерогенного катализа состоит в том, что реакция происходит на поверхности твёрдого катализатора .

В промышленности предпочтительны гетерогенные катализаторы, так как они позволяют проводить химический процесс в непрерывном режиме, когда реагенты пропускают через реактор, наполненный твёрдым катализатором.

Использование же гомогенных катализаторов (обычно это растворы каталитичес ки активных соединений) вынуждает технологов проводить химический процесс в периодическом режиме, включающем дополнительную стадию отделения продуктов реакции от катализатора.

В случае применения гетерогенных катализаторов этого не требуется.

Каталитические реакции сложные многостадийные процессы, особенно в случае гетерогенного катализа. Их можно разделить на три группы: диффузионные, адсорбционно-десорбционные и химические.

  • – диффузия исходных веществ к поверхности катализатора;
  • – адсорбция исходных веществ на поверхности с образованием адсорбционного комплекса:

А + В + К > [А…В]К

– активация адсорбированного состояния (необходимая для этого энергия есть истинная энергия активации процесса):

[А…В]К > [А…В]К#

– распад активированного комплекса с образованием адсорбированных продуктов реакции:

[А…В]К# > [С]К + [D]К

– десорбция продуктов реакции с поверхности катализатора.

[С]К + [D]К > С + D + К

– диффузия продуктов реакции от поверхности катализатора.

Химики-исследователи классифицируют катализаторы по их химической природе: металлы, оксиды, кислоты и основания, координационные соединения переходных металлов (металлокомплексные катализаторы), ферменты. Кислотно-основные, металлокомплексные и ферментативные катализаторы могут быть как гомогенными, так и гетерогенными.

Катализаторы могут быть классифицированы и по своей функции, т. е. по типу той реакции, которую они ускоряют. Так, выделяют:

  • – катализаторы гидролиза – жидкие и твердые кислоты;
  • – катализаторы гидрирования (олефинов, альдегидов и др.) – металлы и оксиды переходных металлов (Pt, Pd, Ni и т.д.);
  • – катализаторы расщепления С-С связи (крекинга) – твердые кислоты (Al2O3/SiO2);
  • – катализаторы окисления – переходные металлы и их оксиды.

Если катализатор сочетает в себе несколько функций, его называют полифункциональным.

Рассмотрим несколько примеров.

1. Получить этан из бутана можно в две стадии, причем на разных катализаторах:

СН3-СН2-СН2-СН3 > СН2=СН2 + СН3- СН3 (на Al2O3/SiO2) (1)

СН2=СН2 + H2 > СН3-СН3 (на Pt) (2)

Если же соединить эти два катализатора, то можно провести реакцию в одну стадию:

СН3-СН2-СН2-СН3 + H2 > 2СН3-СН3 на (Pt- Al2O3/SiO2)

2. Получение бутилена из этилового спирта – двухстадийный процесс, каждая стадия осуществляется на специальном катализаторе:

С2Н5ОН > СН2=СН2 + Н2О, (1)

2 СН2=СН2 > СН3-СН2-СН=СН2 (2)

Но на бифункциональном катализаторе Al2O3/SiO2 + NiO/Аl2O3 бутилен получается одностадийно:

С2Н5ОН > СН3-СН2-СН=СН2

Аналогичная картина наблюдается и для окисления пропилена в ацетон:

СН3-СН=СН2 + Н2О > СН3-СН(ОН)- СН3 (1)

СН3-СН(ОН)- СН3 + 0,5 О2 > СН3-СО- СН3 (2)

На катализаторе NiO+Аl2O3, в котором первый оксид – окисляющий, а второй – гидратирующий, процесс можно осуществить в одну стадию:.

СН3-СН=СН2+ 0,5 О2 > СН3-С(О)- СН3

Основные термины и понятия

Требования, предъявляемые к промышленным катализаторам

К промышленным катализаторам предъявляется целый список серьёзных требований. Чрезвычайно желательно, чтобы они были твёрдыми – тогда процесс может быть реализован в непрерывном режиме. Гетерогенные катализаторы должны быть механически прочными – иначе под действием потока реагента они превратятся в мелкую пыль и будут унесены из реактора.

Для того чтобы производительность реактора была как можно выше, концентрация активных центров в единице объёма катализатора должна быть максимально возможной. В противном случае придётся использовать очень большой реактор, что экономически не выгодно. Конечно, надо стремиться к тому, чтобы катализатор был дешёвым, химически стойким и нетоксичным.

Page 3

Любой катализатор, в первую очередь, характеризуется тремя основными параметрами: активностью, селективностью и стабильностью действия.

Активность катализатора – это его производительность, характеризующая то, сколько реагента может превратиться на катализаторе в единицу времени. Она определяется как приращение скорости реакции (Wк), отнесенное к количеству катализатора, по сравнению со скоростью некаталитической реакции (Wнк), т.е.:

(Wк /g) – Wнк ? Wк /g, так как обычно Wк СН4 + Н2О – метан (Ni)

СО + Н2 > СnH2n – олефины (Ni+ Na2O+Al2O3)

СО + Н2 > СnH2n+2 – алканы (синтез Фишера-Тропша на Fe/Co)

СО + Н2 > CH3OH – метанол (Сu2O/Al2O3)

Характеристика катализатора, отражающая то, что он ускоряет химические превращения реагента в сторону образования определённого продукта из ряда возможных, называется селективностью.

Так, например, платина, нанесенная на оксид алюминия (Pt/Al2O3), катализирует реакцию ароматизации н-октана с образованием орто-, мета- и пара-ксилолов и этилбензола:

н-С8Н18 > о-С6Н4(СН3)2 + м-С6Н4(СН3)2 + п-С6Н4(СН3)2 + С6Н5(С2Н5)

а селективность катализатора по ксилолу определяется как процентное содержание этого вещества в продуктах реакции.

Свойство катализатора направлять химический процесс в сторону образования определенного продукта объясняется следующим.

– Вещества, которые способны превращаться с образованием различных продуктов, могут образовывать на разных активных центрах катализатора активированные комплексы различной конфигурации.

Разница в конфигурациях активированного комплекса приводит к изменению направления процесса и образованию различных продуктов. Следует отметить, что из нескольких возможных реакций катализатор ускоряет не обязательно ту, для которой убыль потенциальной энергии максимальна.

Селективность гетерогенных катализаторов может достигаться также и за счет их пористой структуры.

Например, в случае узкопористых катализаторов, в которых диаметр сквозных пор меньше 1 нм, а активные центры располагаются на поверхности пор, в продуктах каталитического алкилирования толуола метиловым спиртом обнаруживается только п-ксилол, т.е.

наименее разветвленный изомер, который проходит сквозь поры. А более объемные о- и м-ксилолы не образуются из-за пространственных затруднений при образовании соответствующих активированных комплексов, т.е. наблюдается селективность по продукту.

На этом же рисунке (в верхней части) представлена иллюстрация другого свойства катализатора – так называемая селективность по реагенту, т.е. способность катализировать превращение только определенных соединений данного класса.

Строго говоря, это свойство лучше определять термином избирательность или специфичность.

Таким образом, катализатор отличается высокой избирательностью (или специфичностью), если в ряду гомологов ускоряет реакцию только одного из них.

Свойство избирательности может быть обусловлено тем, что на катализаторе именно данное соединение образует активированный комплекс, а для других существуют те или иные ограничения.

Например, на катализаторах с системой одинаковых сквозных пор молекулярного размера линейные алканы вступают в каталитическую реакцию: дегидрируются и ароматизируются, тогда как разветвленные не претерпевают превращений, поскольку активные центры для них недоступны.

Наиболее специфичными катализаторами являются ферменты, тогда как у металлических катализаторов специфичность невелика. Более селективны гомогенные катализаторы, которые работают в мягких условиях (ниже 150 оС). С повышением температуры селективность катализаторов снижается, и при высокой температуре селективности уже не будет.

В подавляющем большинстве случаев в присутствии катализатора, помимо основной реакции, протекают еще и побочные, параллельные или последовательные реакции. Доля прореагировавших исходных веществ с образованием целевых продуктов, выраженная в процентах или относительных единицах, характеризует селективность катализатора.

Она зависит не только от природы катализатора, но и от параметров каталитического процесса, поэтому ее следует относить к определенным условиям проведения реакции.

В нефтепереработке селективность выражают как отношение выходов целевого и побочного продуктов, например, как «бензин / газ», «бензин / кокс» или «бензин / газ + кокс».

Стабильность. Это важнейшее свойство катализатора характеризуется его способностью сохранять первоначальные активность и селективность во времени, т. е. иметь достаточную продолжительность работы с постоянной активностью и общий срок службы. Чем дольше катализатор работает без перезагрузки, тем лучше. Характеристикой стабильности является величина TОN.

Эти свойства катализатора – активность, селективность и стабильность – самые важные. Они находятся в сложной взаимозависимости от многочисленных факторов, таких как температура, давление, природа и чистота реагентов и т. д.

Период стабильной работы (от момента установления стационарной активности до начала снижения ее) для разных катализаторов может сильно различаться. Так, промышленные железные катализаторы синтеза аммиака сохраняют активность в течение нескольких лет, тогда как алюмосиликатные катализаторы крекинга необходимо регенерировать через несколько секунд.

Неограниченное время способны были бы работать лишь идеальные катализаторы, превращая огромные количества реагентов. На практике этого не наблюдается, даже самые активные катализаторы с течением времени дезактивируются. Cпециальная обработка катализаторов в определенных условиях, т. е. регенерация, во многих случаях позволяет восстановить их активность.

Причины дезактивации катализаторов разнообразны. Прежде всего, со временем может изменяться природа катализаторов вследствие разрушения кристаллической структуры, распыления или спекания катализатора, выноса активного компонента из катализатора.

Причиной потери активности часто является отравление активных центров из-за:

  • – наличия примесей в исходном сырье, которые адсорбируются на активных центрах и выводят их из строя;
  • – протекания побочных реакций – например, зауглероживание (коксование, образование продуктов уплотнения);
  • – хемосорбции молекул каталитических ядов на поверхности гетерогенных катализаторов.

Устранить эти причины или уменьшить их влияние можно. Так, нужно добиваться возможно более полной очистки сырья, разрабатывать новые более стабильные катализаторы и т.д

Page 4

Перейти к загрузке файла

  • 1. О.В. Крылов. Гетерогенный катализ. М.: 2004. Академкнига, 2004.680 с.
  • 2. И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт. Современный катализ и химическая кинетика. Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2010. 599 с.

В.М. Байрамов. Основы химической кинетики и катализа. М.: ACADEMA, 200 Часть 2.

  • 4. Г.Б. Бремер, К.-П. Вендландт. Введение в гетерогенный катализ. М.: Мир, 1981, 160 с.
  • 5. К. Танабе. Катализаторы и каталитические процессы. М.: Мир, 1993, 172 с.
  • 6. К. Танабе. Твердые кислоты и основания. М.: Мир, 1973 (гл. 1, 2, 4, 5).
  • 7. Б.В. Романовский. Развитие теоретических представлений в гетерогенном катализе (1950-е годы). Вклад российских ученых // 1 сентября. 2005. № 7. (him.1september.ru/2005/07/1.htm)
  • 8. Б.В. Романовский. Основы катализа. М., 2012. 154 с.

  Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter

Источник: https://studwood.ru/1679144/matematika_himiya_fizika/klassifikatsiya_kataliza_katalizatorov

Военный юрист
Добавить комментарий