"Катализаторы. Их свойства. Определение физико-химических свойств"

1. Краткие сведения о свойствах катализаторов

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности катализаторы в большинстве случаев применяются в твердом состоянии в виде шариков или таблеток, а в процессах с кипящим слоем – в пылевидном состоянии. К катализаторам предъявляются определенные требования, которые условно можно разделить на три группы.

1.                 Катализаторы должны обладать определенной каталитической активностью.(каталитическая активность— характеристика катализатора, выражающая его свойство ускорять химическую реакцию.^[1] Чем выше активность катализатора, тем большей скорости химической реакции можно с помощью данного катализатора добиться) Этот главнейший показатель соответствия катализаторов своему назначению определяется на лабораторных установках, где осуществляется основной технологический процесс, для которого предназначен данный катализатор. На этих лабораторных установках определяется выход целевого продукта, конверсия сырья и другие аналогичные показатели. Иногда проводится сравнение испытуемого катализатора с эталонным, активность которого известна. Помимо активности свежеприготовленного катализатора, часто необходимо знать его каталитическую стабильность после регенерации или кратковременного нагрева до высоких температур.

2.                 Активность, селективность (Селективность катализатора – характеристика катализатора, выражающаяся в том, что катализатор ускоряет химические превращения реагента в сторону образования определённого продукта из ряда возможных.) и стабильность катализаторов являются в значительной мере функцией их химического состава. В зависимости от природы катализатора по техническим условиям в них нормируется содержание основных компонентов: диоксида кремния и оксида алюминия в алюмосиликатных катализаторах; молибдена-, кобальта или никеля в алюмомолибденовых; платины и фтора в алюмоплатиновых. В катализаторе фосфорная кислота на кизельгуре нормируется содержанием общего и свободного оксида фосфора (V). Кроме «того, во многих катализаторах встречаются примеси окислов натрия, железа, серы, кальция и магния, что, как правило, вредно отражается на свойствах катализаторов. Содержание примесей и влажность также относятся к числу нормируемых показателей катализаторов.

3.                 Важное эксплуатационное значение имеют физико-механические свойства катализаторов: насыпная плотность, гранулометрический состав и механическая прочность.

2. Определение гранулометрических характеристик

Под насыпной плотностью понимают массу единицы объема, заполненного испытуемым порошкообразным или гранулированным веществом. Насыпная плотность зависит от размера гранул вещества, их формы, пористости. Естественно, что чем больше размер гранул, тем меньше их содержится в единице объема, и наоборот.

Твердые катализаторы применяются в форме таблеток, шариков, зерен или в порошкообразном виде. Порошкообразные катализаторы (микросферические и полученные дроблением) имеют частицы весьма малых размеров. Для большинства шариковых и таблетированных катализаторов насыпная плотность колеблется от 0,6 до 0,75 г./мл; несколько меньше насыпная плотность алюмо-платинового катализатора; насыпная плотность порошкообразного алюмосиликатного катализатора 0,75–0,85 г./мл.

При эксплуатации по мере увеличения количества сырья, пропускаемого через реактор, катализатор истирается. Образующиеся мелкие частицы размещаются в промежутках между крупными, в результате чего насыпная плотность увеличивается. Явление истирания чаще всего наблюдается у катализаторов с гранулами больших размеров. Так, механическая прочность таблеток алюмо – молибденового катализатора снижается, когда его насыпная плотность меньше 0,5 г/мл. С другой стороны, увеличение насыпной плотности выше 0,7 г/мл ведет к ухудшению регенерационных свойств.

Определение гранулометрического состава

Гранулометрический состав характеризует твердый сыпучий материал по количеству частиц (гранул) того или иного размера.

Для определения' гранулометрического состава катализатор разбивают на отдельные фракции в соответствии с размером зерен, просеивая испытуемый катализатор через набор сит с отверстиями определенных размеров. Лучше всего ситовый анализ проводить на стандартных ситах с металлической сеткой (ГОСТ 6613–73) или применять штампованные сита.

Катализатор следует загружать в реактор в виде целых таблеток или шариков вполне определенных размеров. Техническими условиями предусматривается содержание целевой (по размеру зерен) фракции, а также мелочи и крошки. Так, для шарикового алюмоселикатного катализатора содержание целевой фракции (5,0–2,5 мм) должно быть не менее 96% (масс.); остальные 4% приходятся на долю шариков диаметров более 5 и менее 2,5 мм и крошки. Для таблетированного катализатора, содержащего молибден, допускается содержание крошки и мелочи не более 5%.

Находясь в реакционном аппарате в кипящем слое и соприкасаясь с парами перерабатываемых углеводородов, порошкообразный алюмосиликатный катализатор должен быть в достаточной степени дисперсным. Техническими условиями предусматривается размеру зерен от 40 до 200 мкм. Более мелкие пылевидные частицы (меньше 40 мкм) могут уноситься с нефтепродуктами из реактора в ректификационную колонну.

3. Определение некоторых примесей в катализаторах

Определение содержания воды

В катализаторах находится вода в химически связанном состоянии и в адсорбированном виде. Количество воды может меняться в зависимости от природы катализатора, условий его получения, а также от относительной влажности воздуха, с которым соприкасается катализатор. По техническим условиям содержание воды является нормируемым показателем и допускается не свыше 2,5% для порошкообразного и шарикового алюмосиликатного катализаторов и не более 3,5% для алюмокобальтомолибденового и алюмомолибденового. Повышенное содержание воды снижает механическую прочность катализатора, его активность и селективность. При быстром нагреве катализатора в процессе его эксплуатации избыточная вода ведет к разрушению гранул.

Гидроксид алюминия при нагревании довольно трудно теряет воду. Следы воды удаляются при очень сильном прокаливании. Наоборот, оксид алюминия способен поглощать воду из воздуха, которая постепенно может из адсорбированной переходить в химически связанную. Это свойство оксида алюминия сохраняется в катализаторе. Приготовленные на основе гидроксида алюминия катализаторы обладают некоторой гигроскопичностью, в результате чего они могут увлажняться и терять свою активность. Так, алюмомолибденовый катализатор после прокаливания при 650°С, находясь на воздухе, довольно быстро поглощает влагу. Поэтому влажность катализаторов, осажденных на гидроксиде алюминия, определяют при тех же температурах, при которых удаляется остаток воды. Как предусмотрено техническими условиями, содержание воды в алюмосиликатном катализаторе определяют при 800 °С, а алюмомолибдеиового – при 650 °С. При этом вместе с удалением воды происходит некоторое разложение катализатора с удалением в основном его органических примесей.

Краткое описание документа:

1. Краткие сведения о свойствах катализаторов

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности катализаторы в большинстве случаев применяются в твердом состоянии в виде шариков или таблеток, а в процессах с кипящим слоем – в пылевидном состоянии. К катализаторам предъявляются определенные требования, которые условно можно разделить на три группы.

1.Катализаторы должны обладать определенной каталитической активностью.(каталитическая активность— характеристика катализатора, выражающая его свойство ускорять химическую реакцию.^[1] Чем выше активность катализатора, тем большей скорости химической реакции можно с помощью данного катализатора добиться) Этот главнейший показатель соответствия катализаторов своему назначению определяется на лабораторных установках, где осуществляется основной технологический процесс, для которого предназначен данный катализатор. На этих лабораторных установках определяется выход целевого продукта, конверсия сырья и другие аналогичные показатели. Иногда проводится сравнение испытуемого катализатора с эталонным, активность которого известна. Помимо активности свежеприготовленного катализатора, часто необходимо знать его каталитическую стабильность после регенерации или кратковременного нагрева до высоких температур.

2.Активность, селективность (Селективность катализатора – характеристика катализатора, выражающаяся в том, что катализатор ускоряет химические превращения реагента в сторону образования определённого продукта из ряда возможных.) и стабильность катализаторов являются в значительной мере функцией их химического состава. В зависимости от природы катализатора по техническим условиям в них нормируется содержание основных компонентов: диоксида кремния и оксида алюминия в алюмосиликатных катализаторах; молибдена-, кобальта или никеля в алюмомолибденовых; платины и фтора в алюмоплатиновых. В катализаторе фосфорная кислота на кизельгуре нормируется содержанием общего и свободного оксида фосфора (V). Кроме «того, во многих катализаторах встречаются примеси окислов натрия, железа, серы, кальция и магния, что, как правило, вредно отражается на свойствах катализаторов. Содержание примесей и влажность также относятся к числу нормируемых показателей катализаторов.

3.Важное эксплуатационное значение имеют физико-механические свойства катализаторов: насыпная плотность, гранулометрический состав и механическая прочность.

2. Определение гранулометрических характеристик

Под насыпной плотностью понимают массу единицы объема, заполненного испытуемым порошкообразным или гранулированным веществом. Насыпная плотность зависит от размера гранул вещества, их формы, пористости. Естественно, что чем больше размер гранул, тем меньше их содержится в единице объема, и наоборот.

Определение гранулометрического состава

Гранулометрический состав характеризует твердый сыпучий материал по количеству частиц (гранул) того или иного размера.

Определение содержания воды

В катализаторах находится вода в химически связанном состоянии и в адсорбированном виде. Количество воды может меняться в зависимости от природы катализатора, условий его получения, а также от относительной влажности воздуха, с которым соприкасается катализатор