ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

Каталитические процессы в жидкой фазе

Твердые катализаторы применяют в жидкой среде гораздо реже, чем в газовой. Однако в органической технологии имеется ряд крупномасштабных процессов гидрирования тяжелых угле­водородов и жиров в жидкой фазе на металлических или сульфид­ных катализаторах, а также процессы дегидрирования, окисления, полимеризации и т. п. [2, 7—9, 18, 36]. Рассмотренные выше классификация и закономерности процессов в газовой фазе на твердых катализаторах в основном относятся и к жидкофазным процессам с учетом их специфики, однако гетерогенный катализ в жидкостях изучен в меньшей степени, чем в газах.

Применяя катализаторы в жидкой фазе, следует иметь в виду, что скорость некаталитических реакций в расчете на единицу реак­ционного объема в жидкостях в 103—10[1] раз больше, чем в газах, а коэффициент молекулярной диффузии в 103—104 раз меньше, чем в газах. Поэтому эффективность применения катализаторов в жидкой фазе 1см. уравнение (1.16)] меньше, чем в газовой. Применение катализаторов в жидкой фазе необходимо сопро­вождать интенсивным перемешиванием для снятия внешнедиф - фузионных торможений. Мелкопористые катализаторы неэффек­тивны из-за сильного увеличения вязкости жидкостей в порах и соответствующего снижения коэффициента диффузии [см. урав­нение (1.12)]. Для увеличения поверхности контакта в жидкой среде целесообразно применять мелкодисперсные непористые ка­тализаторы, однако при этом ухудшаются условия выделения ка­тализатора (отстаивание, фильтрование, центрифугирование) из жидкой массы после каталитического реактора.

Обычно реагенты находятся в растворителе, который может влиять и на катализатор. Следовательно, при разработке ката­лизаторов для жидкофазных процессов надо учитывать возможное
растворение компонентов катализатора в растворителе, а также вероятность адсорбции растворителя на катализаторе и замедле­ния целевого процесса или снижения селективности катализа. В общем катализатор должен быть инертным в отношении раство­рителя, и при исследовании необходимо одновременно подбирать как катализатор, так и соответствующий растворитель.

В жидкой среде катализ протекает по гетерогенно-гомогенному механизму значительно чаще, чем в газовой. Это происходит по ряду причин: 1) вследствие большей скорости, чем в газовых средах, гомогенной некаталитической реакции, интенсивность которой часто бывает соизмерима с гетерогенной реакцией на твер­дых катализаторах; 2) в жидких средах нередко катализатор вы­ступает лишь как возбудитель цепной радикальной реакции, кото­рая продолжается гомогенно в растворе; 3) вследствие влияния растворителя.

Термостойкость катализатора в жидких средах обычно не имеет такого значения, как в газовых. Повышение температуры как средство интенсификации катализа в жидкофазных процессах используют гораздо реже, чем в газовых, так как оно вызывает резкий рост парциальных давлений компонентов и, как следствие, необходимость применения дорогостоящих реакторов (автокла­вов) .

Влияние концентрации катализатора Скат в жидкой фазе на константу скорости процесса выражается кривой 1 (см. рис. 1.2) и описывается формулой:

*кат + (1.60)

Здесь а — размерный коэффициент пропорциональности; т — показатель степени (с ростом концентрации изменяется от 1 до 0 в соответствии с кривой 1 на рнс. 1.2).

Аппроксимируя начальный участок кривой (при малых зна­чениях Скат) как прямую, нередко пишут, что скорость процесса пропорциональна концентрации катализатора, что достаточно точно лишь для малого содержания его в жидкости.

Реакторы жидкофазных каталитических процессов в основном представляют собой смесители с механическими мешалками, а также с пневматическими или струйно-циркуляционными переме­шивающими устройствами [2, 9, 24]. Обычно устанавливают кас­кадные батареи из 3—7 смесителей, через которые последовательно протекает реакционная смесь.

В каждом реакторе перемешивание близко к полному, поэ­тому для модельной реакции синтеза А + В + К ^ АВ - f К при избытке вещества В скорость выражается уравнением:

Gn/x = kvCAiC-C^aT = ЬДСкат. (1.61)

Здесь Сдк, Свк — конечные концентрации исходных веществ.

При возрастании избытка вещества В и катализатора К пока­затели степени пит снижаются от единицы до нуля.

Рис. 1.14. Зависимдсть снижения концен­трации Си основного исходного реагента от времени т при полном смешении в ка - скаде из трех реакторов:

1,2 — при идеальном вытеснении в кине­тической и диффузионной областях соот­ветственно: ДСЬ ДС2 и ДС3 — в I, II и III реакторах соответственно; АСі> ДС2> > ДС3 при її = та = т3

Концентрация основного ис­ходного вещества (например, А) в батарее из трех реакторов сни - т' Тз т жается согласно ломаной линии

На рис. 1.14. При достаточном числе реакторов в батарее (5—7) ломаная линия приблизится к кривой идеального вытеснения. Тогда можно рассчитать процесс во всей батарее по уравнению (1.37), в котором v — общий объем жидкости во всех реакторах. Отметим, что рис. 1.14 может иллюстрировать катализ в газовой среде применительно к многополочному аппарату смешения, в частности в аппарате кипящего слоя.

Для процессов в системе газ—жидкость с применением твер­дого катализатора используют различные конструкции барбо - тажных реакторов и другие типы аппаратов, характерные для системы Г—Ж—Т [19, 24].