Ви є тут

Аерозольний каталіз і його застосування в окисненні аміаку та знешкодженні сполук зв'язаного азоту

Автор: 
Прінь Олена Маратівна
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2002
Артикул:
3402U003503
129 грн
Додати в кошик

Вміст

ГЛАВА 2
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Общий подход
Получение оптимальных для определенного процесса поверхности, состава и структуры катализатора является одной из основных задач в практической химии. Ее решение определяет эффективность технологии и возможность управлять скоростью, селективностью и областью протекания реакций. Традиционно она решается путем создания системы каталитически активное вещество-носитель. В качестве носителя применяются чаще всего пористые оксиды алюминия, кремния, активированные угли. Определенное соотношение микро- и макропор позволяет получить значительную активную поверхность катализатора в единице объема реактора (до 500 м2/г и выше). Именно система распределения каталитически активных компонентов в реакторе определила успех современной промышленной химии.
Вместе с тем использование носителей в катализе вносит определенные негативные явления, ограничивающие или исключающие применение катализа в ряде технологий.
Для ряда процессов использование носителей влияет на механизм протекания химических реакций. Появляется внутридиффузионная стадия, которая иногда лимитирует скорость реакции. Считается, что внутридиффузионный перенос оказывает существенное влияние на работу большинства промышленных катализаторов [36,64]. Известно, что во внутридиффузионной области скорость реакции меньше, чем в кинетической на величину равную показателю Тиле, то есть в несколько раз. Чтобы избежать внутридиффузионных торможений для каталитических систем на носителях, предлагались различные технические приемы, в том числе и использование катализаторов бидисперсной структуры [36]. Гранулы катализатора формируются из частиц размером 1-10 мкм. Это обеспечивает практически полную степень использования внутренней поверхности даже для наиболее активных катализаторов. Указывается, что благодаря переходу от кнудсеновской диффузии к молекулярной скорость реакции увеличивается в 5-8 раз. Однако технология приготовления таких катализаторов является довольно сложной, дорогостоящей и не находит широкого применения.
Промышленная практика показала, что существенным недостатком современных катализаторов является недостаточная механическая прочностью и термическая устойчивость. Эти показатели в значительной мере определяются свойствами носителя и приводят к разрушению катализатора в процессе транспортировки, загрузки, при аварийных сбросах давления и резком изменении температурного режима реактора. В результате не только потери катализатора, но и снижение производительности, неравномерность температурного профиля по высоте и сечению реакционной зоны, местные перегревы стенок аппаратуры, возможность эмиссии токсичных компонентов каталитической системы в окружающую среду.
Использование носителей вносит дополнительные затруднения в применение катализа в химических процессах, где в сырье или продуктах реакции присутствует твердая фаза. Это характерно для процессов парциального окисления и переработки нефтепродуктов. Процессы каталитического крекинга сопровождаются отложениями кокса на внешней и внутренней поверхности катализатора, блокируя каталитически активную поверхность. Применение реакторов с рециклом и регенерацией катализатора существенно усложняет и удорожает технологию.
При разработке технологии обезвреживания органических сточных вод в псевдоожиженном слое катализатора CuCr2O4/?-Al2O3 отмечено высокое истирание катализатора. При наличии в стоке минеральных солей полная дезактивация катализатора наступала в течение 30 минут из-за блокирования пор солями [63].
Как изложено в главе 1 настоящей работы технология аэрозольного катализа позволяет уйти от указанных выше недостатков классических каталитических систем на носителях. Для ряда процессов применение катализаторов без носителей может привести к значительному росту скорости процесса, упрощению проблем производства и устойчивой эксплуатации в условиях высоких термических и механических нагрузок на каталитическую поверхность, возможности осуществления реакций в присутствии твердой фазы в исходном сырье и продуктах реакции.
Следствием этого явилась работа по исследованию возможности осуществить реакции окисления аммиака и азотсодержащих продуктов по технологии аэрозольного катализа.

2.2. Состояние работ в области аэрозольного катализа
Осуществление газофазных химических реакций в аэрозоле твердых каталитически активных веществ является новым направлением в катализе. Создана оригинальная организация газофазных гетерогенно-каталитических химических превращений. Аэрозольная технология основана на отказе от использования носителя и применения каталитически активного вещества в мелкодисперсном состоянии, заполняющем реакционный объем в виде облака, создающего квазиструктуру катализатора. Подобная каталитическая система может представлять собой моно- или поликомпонентную механическую смесь индивидуальных химических соединений [14]. Совершенно очевидно, что применение аэрозоля мелких частиц из металлов, их оксидов и солей исключает проблему прочности, а в большинстве случаев и термостойкости катализатора. Появляется возможность удаления таких продуктов реакции, как кокса и солей с поверхности катализатора путем механической обработки.
Ожидаемый эффект от использования аэрозоля мелких частиц катализатора:
- повышение активности каталитической пыли по сравнению с традиционными системами, благодаря исключению внутридиффузионных стадий катализа;
- увеличение внешней поверхности контакта;
- обеспечение равнодоступности активной поверхности;
- управление концентрацией катализатора в процессе синтеза;
- возможность механообработки катализатора непосредственно в реакционной зоне, что исключает его дезактивацию и постоянно сохраняет высокую активность.
Кроме того, использование в качестве катализатора частиц металлов, их оксидов и солей упрощает его производство.
Исследования в области аэрозольного катализа позволяют продемонстрировать его эффективность в решении актуальных для