А. Т. Сағынаев МҰнай мен газдың физикасы және химиясы
Катализаторлар және катализдік реакциялар
жүктеу/скачать 6,98 Mb. Pdf көрінісі
|
S4
| 11.1 Катализаторлар және катализдік реакциялар
Кез-келген катализатор бастапқы заттармен белсенді әрекеттесе алады, бірақ оның бұл процестегі қатысы өзгерістердің бастапқы сатыларымен ғана шектеледі. Келесі сатыларда ол толығымен қалпына келеді (регенерация), сөйтіп, қайтадан реакцияласушы заттар молекулаларымен әрекеттесуі мүмкін. Бірақ та, реагенттердің әсерінен, реакцияның негізгі және қосымша өнімдерінің, температураның әсерінен катализатор әруақытта физико- химиялық өзгерістерге ұшырайды. Гомогенді және гетерогенді катализ болып жіктеледі. Гомогенді катализде катализатор мен әрекеттесуші заттар біртекті жүйе (газ немесе сұйықтық) түзеді. Гомогенді катализдің механизмі аралық химиялық қосылыстар теориясымен жақсы түсіндіріледі. Бұл теория бойынша катализатор әсер етуші затпен тұрақсыз реакциялық қабілетті аралық қосылыс түзеді. Бұл процестің активтену энергиясы катализдік емес негізгі реакцияның активтену энергиясынан төмен. Кейіннен аралық қосылыстар ыдырап кетеді немесе бастапқы заттың жаңа молекуласымен әрекеттесіп, катализаторды өзгеріссіз күйде бөліп шығарады. Гетерогенді катализде катализатор көбіне қатты фазада болады, ал әрекеттесуші заттар – газ немесе бу тәрізді күйде болады. Кейде реагенттер мен катализатор бір-бірімен араласпайтын сұйықтықтар болуы да мүмкін. Гетерогенді катализ кезінде заттардың барлық өзгерістері катализатордың қатты фазасы мен әрекеттесуші заттардың газ (бу) фазасы шекарасында өтеді және көбіне сорбция құбылысымен байланысты болады. Гетерогенді катализ процесі 5 кезеңнен тұрады: 1) катализатор бетіндегі әрекеттесуші молекулалардың қозғалысы (диффузия); 145 2) әрекеттесуші заттардың катализатор бетіне белсенді түрде адсорбциялануы (хемосорбция); • катализатор бетіндегі химиялық реакциялардың жүруі; • реакция өнімдерінің десорбциясы; • реакция өнімдерінің газ фазасына тереңдеп диффузиялануы; Катализатордың белсенділігі оның өнімділігін сипаттайды. Катализатор неғұрлым белсенді болған сайын, ол уақыт бірлігінде реакция үшін аз қажет етіледі. Қатты катализаторлардың белсенділігі негізінен оның беткейінің күйіне тәуелді болады. Беткейін ұлғайту үшін көбіне катализаторды тесікшелері көп қатты заттың бетіне (матрицаға) енгізеді. Матрицалар ретінде активтендірілген көмір, пемза, кизельгур, алюминий оксиді, силикагель және жасанды цеолиттердің әртүрлі маркалары қолданылады. Матрица катализатордың белсенділігін арттырады, оған механикалық беріктілік беріп, шығынын төмендетеді. Көптеген катализаторлардың белсенділігін аз ғана мөлшердегі промотр немесе белсендіргіш қосып арттыруға болады. Белсендіргіштің қасиеттері әртүрлі болуы мүмкін. Кейбір заттар катализатордың ішкі беткейін көбейтеді, яғни құрылымына әсер етіп, реакция кезінде оның сақталуын қамтамасыз етеді. Ондай промотрларды құрылымдық деп атайды. Басқа активаторлар катализатор беткейінің химиялық құрамын өзгертіп, белсенді орталықтар санын арттырады, оларды химиялық деп атайды. Көп жағдайда аталған катализаторлардың қатысында негізгі реакциямен бірге, параллель және қосалқы реакциялар жүреді, бастапқы заттар әртүрлі өнімдердің қоспасына айналады. Катализатордың талғамдылығы дегеніміз оның белгілі шикізат үшін берілген жағдайдағы барлық термодинамикалық ықтимал химиялық реакциялардың ішінен бір немесе бірнешеуін ғана тездету қабілетін айтады. Катализатордың бұл маңызды қасиеті – оның құрамына, сонымен қатар қолдану жағдайына байланысты болады. Катализатордың басты қасиеттерінің бірі уақыт өткен сайын белсенділігін сақтау қабілеті, оны тұрақтылығы деп атайды. Осы қасиеті бойынша катализатордың процестегі шығыны анықталады. Гомогенді катализде сұйық катализатордың белсенділігінен айырылуы (дезактивтену) жұмыс барысында оның концентрациясын төмендететін өнімдердің жинақталуы нәтижесінде болады. Дезактивтену сұйық катализаторда шикізаттың немесе катализдік реакциялардың қосымша өнімдері қоспаларының физикалық және химиялық еруі нәтижесінде жүреді. Қатты катализаторлардың белсенділігінің төмендеу себебі алуан түрлі. Қатты катализаторлар процесс жағдайларының әсерінен химиялық, физикалық өзгерістерге ұшырайды. Физикалық өзгерістерге катализатордың макро- және микроқұрылымдарындағы өзгерістер жатады. Катализатордың химиялық өзгерісі жұмысы барысында оның беткейінде шикізат қоспаларының немесе осы қоспалардың ыдырау өнімдерінің хемосорбциясы нәтижесінде пайда болады. Егер катализатордың белсенділігі 146 өте тез төмендейтін болса, онда катализатор уланған дейді, ал қоспаларды – катализатор уы деп атайды. Егер шикізат молекуласы катализатордың беткейінен уды біртіндеп ығыстырып шығара алса және катализатордың белсенділігі бірнеше уақыттан соң қапына келетін болса, улануды қайтымды деп атайды. Егер құрамында уы жоқ шикізатты өңдегенде катализатордың белсенділігі қалпына келмесе, онда улануды қайтымсыз деп атайды. Уланудың қайтымдылығы мен қайтымсыздығы катализатор беткейіндегі удың хемосорбциясының беріктілігіне байланысты. Катализатор қасиетінің өзгеруі оның бетіне шикізаттың құрамында қоспа ретінде кездесетін металдардың және олардың қосылыстарының біртіндеп жинақталуына да байланысты болады. Көмірсутектерді катализдік өңдеу кезінде катализатор бетінде кокс жинақталады. Кокстың жинақталуы катализатордың белсенді беткейінің бітеліп, оған шикізат молекуласының келіп түсуін тежейді. Катализатор бетінен коксты алып тастау үшін оттегімен, көмірқышқыл газымен немесе су буымен газификациялауға болады. Бұл кезде катализатордың белсенділігі артады. Катализатордың улануын болдырмас үшін көбіне бастапқы шикізатты қосымша тазалау керек. Катализатор уы катализатордың белсенді орталығында қайтымсыз адсорбцияланады. Улардың әсеріне сезімтал болып келетіндер көп жағдайда құрамында Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Ir, Cu, Ag бар металды катализаторлар. Көбіне катализатор уларына күкірттісутекті және басқа да күкіртті қосылыстарды, көміртегінің диоксидін, азотты қосылыстарды, галогендерді, фосфордың, мышьяктың және сурьманың қосылыстарын, сонымен қатар ауыр мұнай шикізаттарының құрамында кездесетін металдарды ( Ni, Fe, V ) жатқызады. Катализатордың белсенділігінің төмендеуі себептеріне, сонымен қатар оның беттік құрылымдарының өзгеруі, температураның әсерінен балқуы және басқа да процестер жатады. Осылардың әсерінен катализатордың белсенді орталықтарының саны азаяды. Катализатордың белсенділігінің қалпына келуін регенерация деп атайды. Регенерация тәсілдері әртүрлі болады. Көмірлі және шайырлы қалдықтарды ауа ағынында өртейді. Тотыққан катализаторларды белгілі температурада сутегімен тотықсыздандырып, қалпына келтіреді. жүктеу/скачать 6,98 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|