Оқулық Алматы, 2014 Қазақстан Республикасы Білім жəне ғылым министрлігінің

118
Мұндағы,  Е

,  Е – каталитикалық  жəне  каталитикалық  емес 
реакциялардың активтендіру энергиялары.
Теңдеуде көрсетілгендей, катализатор қатысында активтендіру энер-
гиясы неғұрлым төмендесе, соғұрлым активтілік жоғары болады. Бірақ 
катализатор  қатысында  тек  қана  активтендіру  энергиясы  өзгермейді, 
сонымен  бірге  экспоненциал  алдындағы  көбейткіште  өзгереді. 
Активтендіру энергиясының төмендеуі есебінен активтіліктің артуы  k
0
 
салыстырғанда  k
Kт
 төмендейді (бұл жерде компенсациондық эффекті 
орындалады).
Жану температурасы. Активтілікпен қатар маңызды технологиялық 
сипаттаманың бірі – катализатордың жану температурасы Т
жану.
Жану  температурасы – практикалық  мақсатта  жеткілікті  жыл-
дамдықпен  технологиялық  үдерістің      жүрудегі  минималды  темпера-
тура.
«Жану» ұғымы – температура шектіден жоғары өскенде, яғни Т
жану
  тең 
болғанда  реакция  жылдамдығы  шұғыл  секірмелі  түрде  артуын 
білдіреді.
Ағынды  реакторда  экзотермиялық  реакцияны  жүргізгенде  мате-
риалдық  жəне  жылулық  баланстың  теңдеуінің  жүйесін  графикалық 
түрде шешуін қарастырайық (41-сурет).
41-сурет. Ағынды қондырғының жылулық жəне материалдық 
баланстарының теңдеуі
Егер реакциялық қоспаның бастапқы температурасы Т
1
-ге тең болса, 
реакторда жоғары температура болуы мүмкін емес, сондықтан берілген 
уақыт  барысында  терең  өзгеру  нəтижесінде  реакция  жылдамдығы 
жоғары болады. Енді 2-сызық жылулық баланстың теңдеуін өрнектесе, 
1-сызыққа  жүргізілген  жанаманың  қиылысуындағы  А  нүктесі  ма-
териалдық  баланстың  теңдеуін  көрсетеді.  Сонда    реакторға  кіретін 

119
 
жердегі бастапқы температураның Т
1
-ден  ∆Т-дан Т
1 
+ Т-ға дейін өзгеріс 
х
А-дан
 х
А-ге
 дейін секірмелі айналу дəрежесіне əкеледі.  Бұл реактормен 
реагенттің бірдей жұмсалу көлемдерінде реакция жылдамдығы шұғыл 
артатынын көрсетеді. 
  Осыдан  Т
2
  температурасы  жану  температурасы  болып  табыла-
ды.  Т
2
-нің  сандық  мəні  графикте  (А  нүктесінің  орналасу  орынына 
сəйкес) біріншіден 1-линия материалдық баланс теңдеуіне əсер ететін 
реакцияның  кинетикалық  ерекшелігімен  анықталады.  Өйткені  əрбір 
катализатор  өзінің  параметрімен  сипатталатындықтан,  жану  темпера-
турасы да əртүрлі катализаторлар үшін əртүрлі болады. 
Технологиялық  тұрғыдан  жану  температурасы  төмен  катализатор-
ларды қолдану тиімді, себебі реакциялық қоспаны алдын ала қыздыруға 
кететін энергетикалық шығынды төмендетуге мүмкіндік береді. 
Экзотермиялық  реакциялар  үшін  «жану  температурасы»  түсінігі 
сандық  тұрғыда  нақтыланған.  Үдерісті  жүргізу  температурасы 
неғұрлым  төмен  болса,  соғұрлым  реакция  жылдамдығы  төмен  жəне 
жылу аз бөлінеді. Сондықтан экзотермиялық реакция үшін жану тем-
пературасы – үдерісті автотермиялық режимде жүргізуге қажетті мини-
малды температура. 
Қайтымды  экзотермиялық  реакцияны  жүргізгенде  катализатордың 
жану  температурасы  жоғары  болмағаны  дұрыс,  өйткені  үдерістің 
жоғары  емес  температурасында  реакция  тепе-теңдігін  өнімнің  түзілу 
жағына ығыстыруға мүмкін болады. 
Талғампаздық.  Күрделі  каталитикалық  реакциялар  бірнеше 
термодинамикалық  мүмкін  болатын  бағытта  жүріп,  көптеген 
əртүрлі  өнімдер  түзіледі.  Басымдық  алатын  реакциялардың  ба-
рысы  қолданылатын  катализаторға  байланысты,  оның  ішінде 
термодинамикалық  ең  қолайлы  бірнеше  мүмкіндіктен  барлық  үдеріс 
жылдамдамайды.
Катализатордың талғампаздығы – бірнеше қосымша реакциялардан 
мақсатты реакцияны селективті жылдамдату қабілеті. 
Катализатордың  сандық  талғампаздығын  үдерістің  талғампаздығы 
деп бағалауға болады. 
Егерде бір уақытта бірнеше параллельді реакция жүрсе, əрбір реак-
ция үшін əртүрлі селективті катализатор таңдап алуға болады. Мысалы, 
алюминий  немесе торий оксидтері қатысында этанол негізінен этилен-
ге жəне суға айырылады:
C
2
H
5
OH
C
2
H
4
 + H
2
O
.

120
 Күміс, мыс жəне басқа металдар қатысында тек қана спирттің де-
гидрлену реакциясы жүріп, сірке альдегиді түзіледі:
    
C
2
H
5
OH
CH
3
CHO + H
2
.
Аралас катализатор (АI
2
O
3
+ZnO) қатысында жоғары талғампаздықпен 
дегидратация жəне дегидрлену реакциялары жүріп, бутадиен түзіледі:
C
2
H
5
OH
C
4
H
6
 + 2H
2
O + H
2
.
Талғампаздық  таңдап  алынған  катализаторға  ғана  емес  үдерісті 
жүргізу  жағдайына,  гетерогенді-каталитикалық  үдерістің  жүру 
аймағына да (кинетикалық, сыртқы немесе ішкі диффузиялық) тəуелді.
Катализатордың  кеуекті  жəне  кристалдық  құрылымы.  Ката-
лизатордың  маңызды  қасиеті – оның  кеуекті  құрылымы,  ол  кеуектің 
түрімен  өлшемімен,  кеуектілігімен,  меншікті  бетімен  сипаттала-
ды.  Кеуектілік – бос  кеуек  көлемінің  жалпы  көлемге  қатынасы. 
Катализатордың меншікті беті – бірлік массаға немесе көлемге келетін 
бет. 
Гетерогенді газдық реакция үшін активті катализатор  болатын қатты 
затты таңдағанда əрекеттесуші газдарға катализатор бетінің тиімділігі 
маңызды рөл атқарады. Əрбір берілген катализатор үшін бет үлкен бол-
са, əрекеттесуші газдарға да тиімді, сондықтан сол катализаторда бірлік 
уақытта реагенттердің жұмсалу жылдамдығы жоғары болады.
Өнеркəсіптік  катализаторлардың  сыртқы  бетіне  қарағанда  ішкі 
беті  дамыған  үлкен  болғандықтан  жылдам  улануға  ұшырамайды. 
Катализатордың кеуектілігі неғұрлым жоғары болса, кеуектің диаметрі  
аз болып ішкі бет үлкен болады. Қазіргі катализаторлар үлкен меншікті 
бетпен (10-100 м
2
/г) сипатталады. 
Бірақ  кеуектің  өлшем  бойынша  таралуы  əртүрлі,  өйткені  əре-
кеттесуші  молекуланың  өлшемі  үлкен  болса,  катализатор  бетінің 
бір  бөлігі  қолайсыз  болады  да,  кеуекке  реагенттің  диффузиясының 
қиындауы салдарынан  соңғы өнімге айналу жылдамдығы төмендейді.
Кеуектілігі  дамыған  құрылымды  катализатор  алу  үшін  оларды 
дайындаудың  арнаулы  əдістері  қолданылады.  Катализатор  ретінде 
табиғи немесе жасанды жоғары кеуекті адсорбенттерді (алюмо-силикат-
тар, цеолиттер, силикагель, активтелген көмір) пайдаланады. Бұл заттар  
өздерінің бетіне активті компоненттерді қондыратын тасымалдағыштар 
болып табылады. 

121
 
Кеуекті  құрылыммен  қатар  катализатордың  кристалдық  құ-
рылымы  да  ерекше  рөл  атқарады.  Бір  заттың  əртүрлі  кристалдық 
модификациясының  каталитикалық  активтілігі  де  əртүрлі.  Мысалы, 
γ-AI
2
O
3
  өзінің  α - AI
2
O
3
  ауысқанда  дегидрлеу  катализаторы  ретінде 
активтілігін бірнеше есе төмендетеді.
Катализатордың промоторлануы жəне улануы. Негізгі катализаторға 
өте  аз  мөлшерде  бөгде  қосындыны  енгізгенде    активтілігі  шұғыл  ар-
тады, не болмаса, керісінше, бірнеше есе  төмендейді. Мұның бірінші 
жағдайы катализаторды промоторлау, ал екіншісі катализатордың ула-
нуы болып табылады.      
Қатты  катализаторларды  промоторлау  механизмі  əртүрлі.  Қо-
сындылар негізгі катализатормен химиялық əрекеттесіп, бетте жоғары 
каталитикалық  активті  өнім  түзеді.  Олар  негізгі  компонентпен  про-
мотор  жанасқан  орындарда  реагенттің  əрекеттесу  жағдайын  өзгертуі 
мүмкін.  Сонымен  қатар  катализатордың  кеуектілік  жəне  кристалдық 
құрылымдарын тұрақтандырады немесе дисперстілігін арттырады.
Мысалы, V
2
O
5
  күкірт  диоксидінің  тотығу  реакциясына  қатысты 
каталитикалық активтілігі сілтілік металдардың сульфатының аздаған 
мөлшерін  қосқанда  жүз  есе  артады;  ал  аммиак  синтезінің  катализа-
торына 2-3%  AI
2
O
3 
  енгізгенде  ұзақ  уақыт  реакцияның  ортасының 
əсерінен өзгермейтін тұрақты геометриялық құрылымның пайда бо-
луын қамтамасыз етеді. 
Каталитикалық  улардың  əсерінен  катализатордың  активтілігінің 
төмендеуі  каталитикалық  үдерістердің  практикалық  қолданылуына 
жиі кедергі келтіреді. Мысалы, егер ванадий катализаторында тотығуға 
түсетін күкірт диоксидінде SiF
4
 мөлшері 4-5 мг/м
3
 болса, катализатордың 
активтілігі  күрт  төмендейді.  Бұл  активті  орталықтар  теориясымен 
түсіндіріледі.  Катализатордың  барлық  беті  каталитикалық  активтілік 
көрсетпейді,  əрекеттесуші  молекулалармен  энергетикалық  жəне 
геометриялық  сəйкестіктері  бар  бөліктер – яғни  активті  орталықтар 
ғана  активті  болады.  Каталитикалық  улар  активті  орталықты  жабады 
да, олармен беттік химиялық қосылыстар түзеді.
Улану  қайтымды  жəне  қайтымсыз  болады.  Егер  реакциялық 
қоспа да  каталитикалық  улар  болмаса,  қайтымды  улану  кезінде 
катализатордың активтілігі біртіндеп қалпына келеді. Қайтымсыз улану 
кезінде жаңа дайындалған реакциялық қоспа көмегімен де активтілікті 
қалпына келтіру мүмкін емес. Бір зат əсер ету уақытына, реакциялық 
қоспаның  концентрациясына,  үдерістің  температурасына  байланысты 
қайтымды жəне қайтымсыз улануды тудыруы мүмкін.

122
Мысалы,  аммиак  синтезіндегі  темір  катализаторына  оттек  жəне 
құрамында  оттек  бар  қосылыстар  (СО,  СО
2
,  Н
2
О) –  каталитикалық 
улар болып табылады. 450
0
С температурада, 30 МПа қысымда жұмыс 
істейтін  катализаторға  келетін  газдар  құрамында 1*10
-2
%  СО  болса, 
алты  тəуліктен  кейін  катализатордың  активтілігі 25%-ға  төмендейді. 
Оның  активтілігін  таза  газбен  бір  тəуліктен  кейін  толық  қалпына 
келтіруге болады. 
Өнеркəсіптік  жағдайда  катализатордың  жұмыс  істеу  қабілетін 
арттыру  үшін  технологиялық  сызбанұсқаларда  əрекеттесуші  зат-
тарды  каталитикалық  улар  болып  табылатын  бөгде  қосындылардан 
толық  тазартады  (мысалы,  күкірт  қышқылы  өндірісінде – мы-
шьяк,  фтор  қосылыстарынан,  аммиак  өндірісінде – СО,  СО
2
,  күкірт 
қосылыстарынан). Кейбір жағдайда катализатор реакцияның қосымша 
өнімдерімен уланады. Мəселен, органикалық қосылыстардың реакция-
сында (крекинг, дегидрлеу, изомеризация) катализатордың бетін жауып 
қалатын  жоғары  көміртекті  полимерлі  қабықшаның  (кокс)  түзілумен 
катализатор уланады. Одан құтылу үшін катализ циклі катализатор ре-
генерациясы циклімен (жоғары температурада ауа үрлеу арқылы кокс-
ты көміртек диоксидіне айналдырады) алмасады.
Бақылау сұрақтары
1.  Қандай заттар катализаторлар деп аталады?
2.  Катализатор əсерінің табиғаты неде?
3.  Химиялық  реакцияның  тепе-теңдігін  катализатор  ығыстыра 
ала ма?
4.  Қатты  катализатордың  негізгі  технологиялық  сипаттамаларын 
атаңыздар.
5.  Қандай каталитикалық үдерістерде жоғары талғампазды  ката-
лизаторларды қолданады?
6.  Жанасу улары деген не? Оларды шикізаттан қалай бөледі?
5.3. Гетерогенді-каталитикалық үдерістердің негізгі сатылары 
жəне кинетикалық ерекшеліктері
  Қатты  катализатордың  бетіндегі  гетерогенді-каталитикалық  реак-
ция – күрделі  көпсатылы  үдеріс.  Каталитикалық  реакцияның  жалпы 
жылдамдығы  физикалық  жəне  химиялық  табиғаты  бойынша  əртүрлі 

123
 
бірнеше  сатылардың  жылдамдықтарына  байланысты.  Газтəрізді 
реагенттердің  кеуекті  катализатордың  түйіршіктерімен  əрекеттесу 
үдерісінің негізгі сатыларын қарастырайық (42-сурет).
42-сурет. Катализатор түйірінің сызбанұсқасы
І – катализатор түйірін жабатын газ ағысы,  ІІ – газдық қабықшаның шекара-
сы, ІІІ – катализатордың ішкі кеуегі, А – бастапқы реагент, R – реакция өнімі.
Бірінші  саты.  Гетерогенді  каталитикалық  емес  үдерістегі  сияқты 
алдымен  газдық  қабықша  арқылы  катализатор  түйіршегінің  сыртқы 
бетінде  газтəрізді  реагенттің  диффузиясы  жүреді,  бұл  кезде  реагент 
концентрациясы  төмен,  ал  өнімнің  концентрациясы  жоғары  болады. 
Бұл сатыны сыртқы диффузия сатысы деп атайды. 
Екінші  саты.  Газтəрізді  реагенттің  негізгі  бөлігі  катализатордың 
ішкі  кеуегіне  диффузияланады  (ішкі  диффузия  сатысы).  Кеуекті  орта 
арқылы  молекула  диффузиясының  жылдамдығы,  олардың  үдемелі 
қозғалысының жылдамдығынан бірнеше есе аз. Бұл катализатор арқылы 
молекула  өткенде  кеуектің  қабырғасымен  жəне  басқа  молекуламен 
соқтығысып  ретсіз  қозғалысқа  əкелуімен  түсіндіріледі.  Молекуланың 
еркін  қозғалу  ұзындығының  жəне  кеуек  диаметрінің  арақатынасына 
бйланысты көлемдік газ, Кнудсен, ықтиярсыз газ ағыстары деп бөледі. 
Барлық бұл диффузия түрлері молекулалық диффузия теңдеуімен (Фик 
заңдары) өрнектеледі. 
Үшінші  саты.  Реагент  молекуласы  катализатор  бетіне  адсорб-
цияланады.  Адсорбция – газ  (адсорбат)  қатты  денемен  (адсорбент) 
жанасқанда  газ  мөлшерінің  азаюымен  байланысты  жүретін  құбылыс. 
Қатты дененің бетінде адсорбат молекуласының концентрленуінен пай-
да  болатын  күштердің  табиғатына  байланысты  адсорбция  физикалық 
жəне  химиялық  деп  бөлінеді.  Егер  бұл  күштердің  табиғаты  газдар, 
сұйықтардағы жəне қатты денелердегі молекулалық əрекеттесулердегі 
күштердің табиғатындай болса, онда физикалық адсорбция болып та-

124
былады. Хемосорбция кезінде химиялық əрекеттесу күштері жүріп, ад-
сорбат молекуласы өзінің жеке қасиетін жоғалтып, адсорбентпен беттік 
қосылыс түзеді. 
Каталитикалық  үдерістер  жүргенде  негізгі  рөлді  хемосорбция  не-
месе активтелген адсорбция атқарады да, нəтижесінде реагентпен ка-
тализатор  арасында  тұрақсыз  аралық  қосылыс  активтелген  комплекс 
түзіледі.  Активтелген  адсорбция  сатысы  катализатордың  əртүрлі 
реакцияларға ерекше əсерін анықтайды. Егерде реагентпен адсорбент 
арасындағы  байланыс  күшті  болса,  өнім  түзуге  əкелетін  комплекстің 
бұзылуы қиын жүреді. Ал егер адсорбентпен адсорбат арасындағы бай-
ланыс əлсіз болса, онда каталитикалық үдерістің активтендіру энерги-
ясын төмендететін адсорбат молекуласындағы байланыстың босаңсуы 
жүрмейді. 
Төртінші саты. Активті комплекстің қайта топтасуы, неболмаса бір 
адсорбцияланған реагенттің молекуласы басқа молекуламен əрекеттесуі 
нəтижесінде  адсорбциядан кейін беттік химиялық реакция жүреді. Бұл 
реакцияның механизмі əртүрлі болуы мүмкін, кинетикалық теңдеудің 
түрі  соған  байланысты.  Беттік  реакция  нəтижесінде  адсорбцияланған 
өнім түзіледі.
Бесінші саты. Үдерістің келесі сатысы катализатор бетінен өнімнің 
десорбциясы.  Бұл  сатыда  катализатордың  ерекше  қасиеттері:  адсор-
бентпен адсорбцияланған өнімнің байланыс энергиясы десорбцияның 
көлемге өтуіне қиындық туғызбау керек.
Каталитикалық үдеріс барысында 3,4,5 сатылар басты болып табыла-
ды. Олардың қосындысын беттік химиялық реакция деп қарастырады. 
Бұл сатылар біруақытта катализатор түйіршегінің сыртқы бетінде, со-
нымен бірге кеуектің ішкі бетінде де жүруі мүмкін.
Алтыншы  саты.  Десорбцияланған  газтəрізді  өнімдер  кеуектен 
катализатордың  сыртқы  бетіне  диффузияланады  (кері  ішкі  диффузия 
өтеді).
Жетінші саты. Газтəрізді өнімдер катализатор түйіршігін қоршаған 
қабықша арқылы катализатор бетінен газдық фазаға диффузияланады.
Осыдан, гетерогенді-каталитикалық үдеріс – табиғаты əртүрлі кезек-
тескен жəне параллельді сатылардан тұратын күрделі жүйе.
Газдық  фаза  арқылы  масса  алмасудың  əсері.    Адсорбцияға  дейін 
бастапқы реагенттер жəне реакциядан кейін десорбция өнімдері газдық 
көлемнен катализатор бетіне немесе одан газ көлеміне тасымалдануы ке-
рек. Егерде реакция ағынды жүйеде жүрсе, газдың жылдамдығы жоғары 
болады  да,  масса  алмасу  турбулентті  диффузия  механизмі  бойынша 

125
 
өтеді.  Бұл  кезде  үдерістің  жалпы  жылдамдығы  сыртқы  диффузияның 
жылдамдығына  əлсіз  тəуелді  немесе  тəуелсіз  болады.  Каталитикалық 
үдеріс  катализатор  түйіршіктерінің  диаметрі  үлкен  болғанда  сыртқы 
диффузиялық  аймақта  жүреді.  Бұл  кезде  катализатордың  сыртқы 
бетіндегі  реагенттің  с
А
  жəне  өнімнің  с
R
  концентрациялары  газдық 
көлемдегі с
А,
  с
R 
концентрациядан күрт ерекшеленеді:
         
                                                    с
А,s
 << с
А,g
                                                     с
R,s
 << с
R,g                                                                  
     (2)
Концентрациялардың  өзгеруі  Δс
А
 = с
А
 - с
А
  жəне  Δ  с
R
  =
 
с
R  
-
 
с
R  
диффузиялық  қабаттың  шекарасында  пайда  болады,  қабаттың 
қалыңдығы δ бірнеше факторларға тəуелді, мысалы, ламинарлы ағыста 
δ = aRe
-0,5
 тең, мұндағы а – сызықты өлшем; R – Рейнольдс саны.
Сыртқы  диффузиялық  аймақта  жүретін  үдерістің  жылдамдығы 
(2)  теңсіздікті  ескергендегі  сыртқы  бетке  ауысудағы  диффузия 
жылдамдығымен өрнектелуі мүмкін:
                      
g
A
A
A
kA
rA
C
d
dn
aS
w
w
,
1
E
W
|

 
 
 
                  (3)
Мұндағы, S – катализатордың  сыртқы  беті;  β
A
 –  А  компонентінің 
диффузия  коэффициенті  жəне  шекаралық  диффузия  қабатының 
қалыңдығына тəуелді масса беру коэффициенті.
Əртүрлі  газтəрізді  заттардың  диффузиясы  кезінде (3)-теңдеу  баяу 
диффузияланатын  компонентке  жатады. (3)-теңдеуде  көрсетілгендей, 
сыртқы  диффузиялық  аймақта  жүретін  каталитикалық  реакцияның 
механизміне  жəне  үдерістің  жылдамдығының    шын  кинетикалық 
заңдылығына  тəуелсіз  формальды  түрде  бірінші  ретті  реакция 
теңдеуімен  өрнектеледі  (газтəрізді  реагенттің  концентрациясына  тура 
пропорционал). 
Бұл  аймақтағы  гетерогенді-каталитикалық  үдерістің  активтендіру 
энергиясы  диффузия  коэффициентіне  температуралық  тəуелділікпен 
формалды  анықталады.  Өйткені  бұл  тəуелділік  əлсіз,  активтендіру 
энергиясы үлкен емес жəне кейбір жағдайда нөлге тең. Сондықтан тем-
ператураны арттырғанда диффузия жылдамдығына қарағанда реакция 
жылдамдығы жылдам артатындықтан жоғары температура аймағында 
диффузия жылдамдығы үдерісті лимиттейді.
Каталитикалық  үдерісті  сыртқы  диффузиялық  аймақта  жүзеге  асыру 
кейбір жағымсыз құбылыстардың жүруіне əкелуі мүмкін. Соның салдары-

126
нан масса- жəне жылу алмасу құбылысының диффузия коэффициентінің 
қиындатуынан  катализатор бетінен газдық көлемге жылу берілу жоғары 
емес.  Бұл  экзотермиялық  реакция  үшін  катализатордың  қатты  қызуына 
əкеледі де, тепе-теңдікті кері бағытқа ығыстырады. 
Реакцияның  кинетикалық  аймақта  жүруімен  салыстырғанда 
үдерістің жылдамдығы сыртқы диффузиялық аймаққа ауысқанда едəуір 
төмендейді,  мысалы  аммиактың  тотығу  жылдамдығы 99%, ал  күкірт 
диоксидінің тотығуы 2,5-47%-ға кемиді.
Үдерістің  сыртқы  диффузиялық  аймақтан  кинетикалық  аймаққа 
ауысуы – үдерістің  температурасының  төмендеуін,  газдың  сызықты 
жылдамдығының  немесе  араластыру  интенсивтілігінің  артуын,  қы-
сымның  төмендеуін,  катализатор  грануласының  өлшемінің  азаюын 
қамтамасыз етеді.
Кеуектегі масса алмасудың əсері. Каталитикалық реакция негізінен 
катализатор кеуегінің бетінде жүреді, өйткені катализатордың сыртқы 
бетімен  салыстырғанда  катализатордың  ішкі  беті  бірнеше  есе  артық. 
Сондықтан  катализатор  кеуегіне  реагенттің  тасымалдануы  химиялық 
реакцияның жүруіне ерекше əсер етеді. 
Егерде катализатор кеуегінде химиялық реакциямен салыстырғанда  
диффузия жылдам жүрсе, онда катализатордың барлық беті реакцияға 
қатысады,  өйткені  реагенттер  əрекеттесуден  бұрын  ішкі  кеуек  бетіне 
өтеді. Бұл кезде катализатор түйіршігінің сыртқы жəне ішкі бөліктері 
арасында концентрацияның өзгерісі үлкен емес, сондықтан бөлшектің 
ішінде  əрекеттесуші  молекулалардың  қозғалысы  жəне  түзілген 
молекулалардың шығуы  байқалады. Баяу химиялық реакциялар үшін 
катализатордың ішкі беті пайдалы.
Мұндай баяу реакцияларды кеуектің ішіне кірместен соңғы өнімге 
айналатын  өте  активті  катализаторда  жүретін  тез  реакциялармен 
салыстыруға  болады.  Түйіршіктің  сыртқы  бетінде  концентрацияның 
шұғыл  градиенті  пайда  болып,  реагент  молекулалары  сыртқы  ортаға 
тез  диффузияланады.  Нəтижесінде  реакция  катализатордың  сыртқы 
бетінде жүреді де, кеуекті құрылымның ішкі бөлігі қолданылмайды. 
Сондықтан кеуекке диффузиясы жəне катализатордың ішкі бетінің 
химиялық  реакцияға  тиімді  дəрежеде  қолданылуы  екі  параллельді 
жүретін үдерістердің интенсивті арақатынасына байланысты.    
Катализатордың  ішкі  бетінің  тиімді  қолданылуы.    Катализатор 
бетін  тиімді  қолдану – үдерісті  жүргізудің  жағдайлары:  температу-
ра,  қысым  жəне  реакцияның  жылдамдық  константасына,  диффузия 
коэффициентіне  əсер  ететін  факторларға  тəуелді.  Мысалы,  аммиакты 

127
 
синтездеудің каталитикалық реакциясын промоторланған темір катали-
заторында жүргізгенде (температура 500
0
С, қысым 30 МПа) беттің пай-
далану дəрежесі 5,4%-ға тең, ал күкірт диоксидінің тотығу реакциясын 
ванадий катализаторында  жүргізгенде (450
0
С, 0,98 МПа) -71%-ға тең 
болады. 
Катализатор  бетінің  сандық  тиімді  қолданылуын  тиімділік 
коэффициенті  (ε)  бойынша  бағалайды.  Ол  катализатор  кеуегінде 
реагенттің  жұмсалуының  орташа  жылдамдығының  максималды  жұм-
салу  жылдамдығына  қатынасына  тең,  яғни  реакцияны  тежейтін  ішкі 
диффузияның əсері болмайды.
Ішкі бетті қолданудың тиімділік коэффициентін есептеу үшін радиу-
сы R ұзындығы L түзу циллиндрлі кеуекті катализаторды қарастырайық 
(33-сурет  )  жəне  онда  бірінші  ретті  химиялық  реакция  жүреді,  оның 
жылдамдығы:
  
A
s
A
kA
rA
C
k
d
dn
aS
w
w
 

 
 
W
1
теңдеуімен өрнектеледі.
Мұндағы, S – катализатор беті; k
s 
– бірінші ретті беттік реакцияның 
жылдамдық константасы.
Кеуектің  ұзындығы  бойынша  А-реагенттің  концентрациясы  ішкі 
диффузияның тежегіш əсерінен төмендейді де, кеуектің басында жəне 
соңында  реакция  жылдамдығы  бірдей  емес.  Егер  кеуектің  барлық 
ұзындығында реагенттің концентрациясы оның сыртқы беттегі концен-
трациясына тең болса, реагенттің жұмсалу жылдамдығы максималды 
болады:
s
A
s
A
Sc
k
d
dn
a
,
max
1
 
¸
¹
·
¨
©

жүктеу/скачать 6,61 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: