Постановка задачи эксперимента

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

Любой промышленный химический процесс имеет целью экономически целесообразное производство товарного продукта из исходного сырья. Он состоит из нескольких последовательных стадий (рис. 1).

Подготовка Химические Выделение

Исходные сырья. превращения товарного Целевой

материалы Физические сырья продукта. продукт

процессы Физические

процессы

Рецикл сырья

Рис. 1. Схема типового химико-технологического процесса

Химическая стадия является самой важной частью процесса, определяющей его экономичность. Физические операции (подготовка сырья, разделение, очистка продуктов и т. д.) служат для обеспечения эффективного функционирования основного элемента аппаратурного оформления любой ХТС – реактора. При расчете и проектировании химического реактора необходимо ответить на два вопроса:

1) какой максимальный выход может быть получен в условиях, принятых для проведения реакции?

2) как быстро можно достигнуть этого максимального выхода?

Расчет степени превращения по термодинамическим данным позволяет определить теоретический максимально возможный выход стирола, не давая, однако, никакой информации о скорости реакции. Такие расчеты относятся к условиям, когда результирующая скорость равна нулю. Чтобы промыш-

ленный процесс был экономичен, время его проведения должно быть ограничено. Чем оно короче, тем большее количество исходных веществ может быть переработано установкой или тем меньшие размеры должно иметь оборудование, предназначенное для получения заданного количества продукта. Поэтому инженеру-химику, разрабатывающему реактор, в котором будет проводиться химическая реакция в промышленном масштабе, необходимо знать кинетику процесса. Кинетическое уравнение позволяет обосновать выбор реактора и рассчитать его оптимальные технологические и конст-

руктивные параметры.

Для составления кинетических уравнений широко используются аналитические методы. К ним относятся методы А.А. Баландина, маршрутов, линейных последовательностей, стационарных концентраций, адсорбционных изотерм, построения кинетических моделей с применением теории графов и другие [13, 14]. Эти методы основаны на глубоком знании механизма реакций. Однако выяснение механизма является более сложной задачей, чем нахождение кинетического уравнения. Поэтому с целью сокращения сроков разработки технологии новых и усовершенствования действующих химических производств в проектных работах часто используются статистические методы. Основная задача при этом сводится к построению статистической модели в виде уравнения регрессии и его анализу.

Катализаторы дегидрирования

В ходе предварительной оценки химической схемы производства отмечалось, что реакции дегидрирования углеводородов обычно проводят в присутствии твердых катализаторов определенного состава. О необходимости использования селективных катализаторов сделан вывод также в результате термодинамического анализа реакции дегидрирования этилбензола с учетом побочных превращений (раздел 1.2).

Основной задачей данного этапа является ознакомление студентов с началами технического катализа.

Итогом этого этапа является реферат, написанный студентами по литературным источникам [15-17]. Краткие сведения по катализаторам дегидрирования проводятся в данном разделе. Примерным планом реферата могут служить контрольные вопросы в конце раздела 2.3.

К катализаторам дегидрирования предъявляются требования общие для контактов, используемых в гетерогенном катализе:

высокая каталитическая активность;

достаточно большая селективность (избирательность) в отношении целевой реакции;

простота получения, обеспечивающая воспроизводимость всех свойств катализатора;

высокая механическая прочность к сжатию, удару и истиранию;

достаточная стабильность всех свойств катализатора на протяжении его службы и способность к их восстановлению при том или ином методе регенерации;

небольшие экономические затраты на катализатор при производстве единицы товарной продукции;

обеспечение этих требований достигается, главным образом, при разработке состава катализатора и способа его получения.

Катализаторы сравнительно редко применяются в виде индивидуальных веществ и часто содержат различные добавки, получившие название модификаторов. Цели их введения очень разнообразны: повышение активности катализаторов (промоторы), избирательности и стабильности работы, улучшение механических и структурных свойств. Фазовые и структурные модификаторы стабилизируют соответственно активную фазу твердого катализатора или его пористую структуру.

В смешанных катализаторах, где компоненты находятся в соизмеримых количествах, могут образовываться новые, более активные соединения, их твердый раствор в основном компоненте или же многофазные системы, обладающие специфическим действием. При этом свойства смешанного катализатора не являются простой суммой свойств его компонентов.

Большое влияние на свойства катализатора оказывает способ его получения. Поскольку химическая реакция протекает на поверхности, в большинстве случаев важно получить катализатор с максимально развитой поверхностью, т.е. с большим количеством пор. Для разных реакций оптимальными могут быть узкие или, наоборот, более широкие поры, а

могут быть узкие или, наоборот, более широкие поры, а также комбинация широких (транспортных) пор с более узкими.

Не менее важны форма и размер зерен катализатора, от которых зависят удельная производительность и гидравлическое сопротивление слоя катализатора.

Наконец, сама активность единицы поверхности катализатора зависит не только от его состава, но и от способа приготовления.

Гетерогенные катализаторы характеризуются рядом физических свойств. Фракционный состав зерен катализатора определяют ситовым и седиментационным анализом, фазовый состав – рентгеноструктурным и электронно-микроскопическими методами [18-19]. Важной характеристикой является удельная поверхность, отнесенная к единице количества катализатора. Ее находят адсорбционным путем или газохроматографическим способом [18-22]. Средний радиус вычисляют делением удвоенного объема пор, определенного по истинной и кажущейся пористости катализатора, на удельную поверхность [18]. Имеет также значение распределение пор по радиусам, которые находят при капиллярной конденсации какого-либо вещества [18-19].

Различают следующие виды твердых промышленных катализаторов:

осажденные (солевые, окисные) – монолитные, таблетированные или порошкообразные формованные;

катализаторы на носителях (солевые, окисные, металлические) в виде зерен, таблеток или формованные другим способом;

природные (силикатные и алюмосиликатные);

плавленные (металлические и окисные); в том числе металлы в виде проволочных сеток, спиралей и т.д.

скелетные (металлические).

В настоящее время в отечественной и зарубежной промышленности для процессов дегидрирования используются железоокисные катализаторы, промотированные окислами щелочно-земельных металлов [1-4, 24]. Основной
10

составной частью этих катализаторов является окись железа, которая в процессе высокотемпературного дегидрирования восстанавливается до закиси – окиси железа. Окись хрома играет роль стабилизатора и предотвращает переход закиси – окиси железа в закись или металлическое железо, которые не являются активными компонентами. Функцию стабилизатора может выполнить окись любого металла, способного к восстановлению, но лучше металлов V, VI или VII группы периодической системы элементов. Окись калия, образуемая при высоких температурах из исходного поташа K₂CO₃, обладает ингибирующим действием в отношении реакции крекинга и изомеризации, а также является промотором, активирующим стадию регенерации катализатора водяным паром.

Современные исследования в области катализаторов дегидрирования направлены на разработку новых эффективных композиций, усовершенствование и оптимизацию уже существующих.

Все способы получения катализаторов делятся на мокрые и сухие, из которых наиболее распространены первые [23].

Сухой метод приготовления катализаторов заключается в термическом разложении окислов или сплавов металлов, а также солей в атмосфере водорода, в результате чего получаются металлы, которые используются в процессах дегидрирования углеводородов.

Мокрым способом готовят катализаторы из водных растворов солей или путем пропитывания пористого гранулированного материала кислотами или растворами солей. Разновидностью влажного способа является приготовление катализаторов из смеси порошковых компонентов, увлажненной до пастообразной консистенции.

Контрольные вопросы к разделу 2.2

1. Требования, предъявляемые к катализаторам.

2. Общие сведения о структуре, составе и свойствах катализаторов дегидрирования.

3. Характеристика методов приготовления катализаторов.

4. Паспортные данные промышленных катализаторов дегидрирования этилбензола.

5. Основные стадии гетерогенного каталитического процесса.

6. Химизм процесса саморегенерации катализаторов дегидрирования.

7. Описание кинетики дегидрирования этилбензола моделью Ленгмюра-Хиншельвуда.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒