ТЕХНОЛОГИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

ОСНОВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТАЛИЗАТОРОВ

Выбор катализатора для того или иного процесса определяется в основном технологическими и экономическими соображениями [2, 19]. Для оценки контактных масс необходимо знать произво­дительность (активность), селективность, ожидаемый срок службы, стоимость и др.

Высокая производительность (интен­сивность, активность) катализатора [см. уравнения (1.20) и (1.21)] достигается определенным сочетанием химического состава с оптимальными микро - и макроструктурой. Она нахо­дится также в прямой зависимости от технологических парамет­ров ведения процесса (см. гл. 1).

Интенсивность работы I катализатора можно рассчитать по формулам [19]:

/ = УКСП рш (2.1)

/ = VVPA. (2.2)

Здесь VK н VH — конечная (на выходе нз слоя катализатора) н начальная (на входе в слой катализатора) объемные скорости газа соответственно, м3 в 1 ч

На 1 м3 катализатора; Са н Си — объемные доли продукта (на выходе нз слоя катализатора) н основного исходного вещества (на входе в слой катализатора) соответственно; х— степень превращения основного исходного вещества, доли единицы; ра — плотность чистого продукта, кг/м3; (V — коэффициент пересчета начальной объемной скорости в конечную, учитывающий изменение объема ре­акционной смеси.

Во взвешенном (кипящем) слое катализатора в результате ис­пользования более мелких частиц достигается более полная реа­лизация внутренней поверхности, чем при работе в неподвижном слое, значение степени использования г) поверхности стремится к единице, а процесс, как правило, протекает в кинетической об­ласти [17].

Избирательность (селективность) дейст­вия катализатора [см. формулы 1.30—1.31] наряду с его высокой активностью имеет очень большое значение, особенно в процессах органической технологии, когда термодинамически возможен ход параллельных и последовательных реакций [38].

Срок службы катализатора[2]В промышленном реакторе — один из параметров, который особенно сложно оце­нить в лабораторных условиях. Это связано с тем, что снижение каталитической активности вызывается многими факторами, ко­торые недостаточно установлены. Так, закоксовывание поверх­ности контактных масс, химическое отравление, рекристаллиза­ция, закупорка пор и другие процессы дезактивации [9, 39, 40] могут происходить по-разному в лабораторном реакторе и в про­мышленности. Срок службы катализатора может быть выражен: 1) в единицах времени, например в секундах для катализаторов крекинга и в годах для катализаторов синтеза аммиака; 2) про­межутком времени между регенерациями или общей продолжи­тельностью работы до полной потери активности; 3) массой продукта, полученного за все время службы катализатора. Срок полезной службы катализатора гораздо короче отрезка времени до полной потери активности. Иногда выгодней заменить катали­затор, активность которого упала до определенного уровня, на свежий, нежели продолжать эксплуатацию «старого». Это зависит от многих экономических факторов. На рис. 2.1 представлена эко­номичность службы катализатора в крупнотоннажном химическом производстве [2]. При создании нового катализатора или моди­фикации имеющегося с целью повышения срока службы следует учитывать такие обстоятельства: 1) простой при замене катализа­тора; 2) размеры промышленного реактора; 3) стоимость замены катализатора; 4) потери, связанные со снижением производ­ственной мощности и 5) сложность приготовления высокоэффек­тивного катализатора.

Температура зажигания — минимальная тем­пература, при которой катализатор имеет активность, достаточную

6 в 10 12 Срок службы катализатора, мес

Рис. 2.1. Экономичность службы катализатора в крупиотониажиом химическом произ­водстве

Для автотермической работы в промышленных условиях. Этот показатель является особенно существенным при проведении высокотемпературных обратимых реакций в адиабатических реак­торах с неподвижным слоем.

Согласно уравнению адиабаты (2.3) конечная температура tK пропорциональна степени превращения х в данном слое:

TK = tH + Xax (2.3)

[см. также уравнения (1.52)—(1.57)].

Для адиабатических экзотермических процессов понижение температуры зажигания t3аж, кроме экономии энергии на подо­грев поступающего газа, позволяет повысить выход продукта х в данном слое катализатора (рис. 2.2) [17]. В реактор фильтрую­щего слоя нельзя подавать газ при температурах ниже температуры зажигания, так как это вызовет потерю автотермичности, постепен­ное охлаждение всего слоя и прекращение работы реактора.

Температура зажигания находится в прямой зависимости от активности катализатора, природы и концентрации исходных реа­гентов.

Теплопроводность зерен катализатора является важным показателем, так как способствует выравниванию тем­пературы в слое, снижает At адиабатических процессов. Если вы­сок тепловой эффект реакции, особенно существенна высокая теп­лопроводность, позволяющая устранять местные перегревы, ко­торые приводят к понижению выхода продукта и возможному

Уменьшению активности контактной —массы. В эндотермических процес-

------ сах крупнозернистый катализатор

/ х. с низкой теплопроводностью может

/ \ снизить активность из-за нарушения

Дии паров реагентов в порах, изменения химического состава и т. д.

Повышенная теплопроводность зерен особенно важна для труб­чатых аппаратов с отводом (или подводом) теплоты от слоя ката­лизатора через стенки труб.

Прочность и износоустойчивость зерен катализатора должны обеспечить его эксплуатацию в промышлен­ном реакторе в течение нескольких лет [17, 20, 40]. В неподвижном слое катализатор теряет прочность вследствие изменения темпе­ратур, эрозии газовым или жидкостным потоком реагентов, давления слоя вышележащих зерен, достигающего в трубчатых и шахтных реакторах высоты 5 м. Прочность на раздавливание катализаторов неподвижного слоя колеблется от 0,7 до 11 МПа. В реакторах со взвешенным слоем катализатора и с движущимся катализатором под прочностью понимают прежде всего износо­устойчивость зерен при ударах и трении их друг о друга, о стенки реактора и теплообменных элементов. Нормы истирания и уноса катализатора в виде пыли из реактора составляют для катализа­торов кипящего слоя обычно 1—3 %.

Малая стоимость катализатора является также од­ной из важных его характеристик, хотя стоимость израсходован­ного катализатора (потери его) составляет, как правило, незначи­тельную часть себестоимости продукта. Снижение себестоимости контактных масс достигается в основном заменой дорогостоящих металлов (например, платины, серебра и др.), входящих в состав контактных масс, менее активными, но и более дешевыми (окси­дами железа, хрома, ванадия и т. д.) [22]. Тонкое диспергирование катализатора на носителе также позволяет снизить стоимость [41]. Такого же эффекта можно достичь, применяя более рацио­нальные технологии катализаторов с более полным использова­нием всех видов сырья и интенсивной непрерывно работающей аппаратуры [2, 17, 19].