Лабораторные исследования промышленных катализаторов 2 (стр. 1 из 4)
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Химико-технологический факультет
Процессы и аппараты химических производств
Кафедра химической технологии топлива
«Лабораторные исследования промышленных катализаторов»
Реферат №3 по дисциплине «Дополнительные главы физической химии».
Исполнитель:
маг. гр. 5М550 Афанасьева Ю.И.
Руководитель:
Ассистент Чеканцев Н.В.
Томск – 2010
Оглавление
Лабораторные исследования промышленных катализаторов.......................................... 3
1. Методы определения активности катализаторов........................................................ 3
1.1.Статистический метод...................................................................................................... 3
1.2.Проточные (динамические) методы................................................................................ 4
1.2.1. Проточный метод..................................................................................................... 4
1.2.2. Безградиентный проточно-циркуляционный метод............................................ 5
1.3.Метод изучения кинетики реакций во взвешенном слое катализатора...................... 6
1.4.Импульсные методы исследования активности катализатора..................................... 7
2. Методы определения активности катализаторов........................................................ 7
2.1.Адсорбция как способ определения поверхности......................................................... 7
2.2.Методы определения поверхности по изотермам адсорбции...................................... 8
2.2.1. Объемные методы.................................................................................................... 9
2.3.Хроматографический метод определения поверхности............................................. 10
2.4.Адсорбционный метод определения радиуса пор....................................................... 10
2.5.Ртутная порометрия........................................................................................................ 12
2.6.Определение истинной и кажущейся плотности катализатора................................. 13
2.7.Электронная микроскопия............................................................................................. 13
3. Определение механической прочности катализаторов............................................. 14
3.1.Статические методы........................................................................................................ 14
3.2.Динамические испытания.............................................................................................. 14
3.3.Метод истирания............................................................................................................. 14
3.4.Определение механической прочности в условиях катализа.................................... 15
Список литературы................................................................................................................... 15
Лабораторные исследования промышленных катализаторов
Исследование катализаторов должно носить комплексный характер, поэтому, прежде всего, при их приготовлении надо определять их активность, макроструктуру (поверхность, пористость) и механическую прочность [1].
1. Методы определения активности катализаторов
Наиболее существенной характеристикой любого катализатора является его активность. Мерой каталитической активности может служить скорость протекания реакции в присутствии катализатора по отношению к единице объема контактной массы:
, (1)
где Сп – концентрация продукта, Си – концентрация реагента, τ – время, υ – объем контакта.
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 Сн – начальная концентрация реагента, χ – степень превращения в целевой продукт реагента (выход продукта), Sуд – 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
Метод осуществляется в условиях практического отсутствия в реакционной зоне перепадов концентраций и температур. Перемешивание в данной схеме достигается интенсивной циркуляцией (с помощью насосов) реакционной смеси через катализатор в замкнутом объеме при непрерывном поступлении и выведении газового потока, причем циркулирующего газа должно быть значительно больше вновь вводимого сырья. На рис. 2 представлен циркуляционный контур, состоящий из электромагнитного насоса 3, клапанной пробки 2 двойного действия и реактора 1, помещенного в печь.
