Производство катализаторов методом пропитки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»

Реферат

по дисциплине «Основы гетерогенного катализа и производства катализаторов»

на тему «Производство катализаторов методом пропитки»

Выполнила:

студентка 3 курса ИНиГ

гр. ХТБ-111 Хижняк Инна

Проверил:

профессор Овчаров Сергей Николаевич

Ставрополь, 2013

Содержание

Введение

1. Общая характеристика способа

2. Методы пропитки

3. Пропиточные аппараты и машины

4. Стадия сушки катализатора

5. Стадия активации катализатора

Список литературы

катализатор нефтепереработка пропитка

Введение

Катализом называется изменение скорости химических реакций или возбуждение их в присутствии веществ -- катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но восстанавливают свой химический состав при окончании каталитического акта. Обычно катализатор многократно вступает в такое взаимодействие, изменяя скорость химической реакции в течение длительного времени и образуя продукты реакции, масса которых может превосходить массу самого катализатора в тысячи и даже миллионы раз. Однако катализатор не может служить беспредельно: в одних процессах его используют непрерывно в течение нескольких лет, в других -- лишь несколько минут. Катализ может нарушиться в результате изменения состава и структуры катализатора, происшедшего из-за побочных химических реакций или механических и температурных воздействий. При возбуждении разветвленных цепных реакций, в частности, реакций, приводящих к взрыву, возможно в принципе и однократное участие катализатора в химической реакции.

Катализ называют положительным, если скорость реакции увеличивается. Отрицательный катализ связан, как правило, с замедленным превращением в продукт промежуточного химического соединения.

Получают катализаторы нефтепереработки 2 основными методами:

1.Методом осаждения контактных масс.

2.Метод пропитки - самый простой способ изготовления катализаторов. Обычно пористый носитель пропитывают водным раствором одного или нескольких соединений металлов, сушат и активируют. Преимуществом метода пропитки является использование меньшего количества оборудования. При пропитке активный компонент обычно распространяется по грануле катализатора не равномерно. Выше его концентрация в слое, близком к поверхности, а в центре гранулы активного компонента мало или нет совсем.

1. Общая характеристика способа

Контактные массы, относящиеся к этой группе, получают нанесением активных компонентов на пористую основу - носитель. Как правило, для данного процесса носитель является малоактивным или даже инертным материалом. Однако имеются контактные массы, в которых носитель вступает во взаимодействие с катализатором, более или менее глубоко воздействуя на его каталитические свойства.. В зависимости от типа реакторных устройств катализаторы на носителях изготовляют в виде таблеток, шариков, мелких сфер или порошков (рис1;2.).

Рис. 1

Рис. 2

Получение катализаторов нанесением активного компонента на носитель обладает рядом преимуществ по сравнению с другими: относительной простотой, меньшим количеством вредных отходов и более эффективным использованием активного компонента.

Обычно пористую основу пропитывают раствором, содержащим не активные компоненты катализатора, а соединения, которые переходят в эти компоненты при соответствующей обработке. Чаще всего применяют соли, анионы которых можно легко удалить в процессе термообработки: нитраты, карбонаты, ацетаты и др.

При синтезе металлических катализаторов сначала получают на носителях их оксиды, которые затем восстанавливают (чаще всего водородом) до металла.

При получении катализатора из нерастворимых солей совмещают пропитку с осаждением, причем наносят сначала один компонент, а затем другой. В этом случае осадок образуется прямо в порах носителя. Часто требуется, чтобы активное вещество не растворялось в ряде жидкостей: воде, углеводородах, спиртах и т. д. Для этого готовят катализатор в виде суспензии, наносят последнюю на подложку, затем подвергают всю систему термической обработке .

Пропитка носителя состоит из следующих стадий:

1) эвакуация газа из пор носителя;

2) обработка носителя раствором;

3) удаление избытка раствора;

4) сушка и прокаливание.

Вакуумирование носителя производят с целью улучшения однородности пропитки зерен и ускорения процесса. Иногда из тех же соображений перед пропиткой гранулы насыщают газом, легко растворимым в данном пропиточном растворе. Это мотивируется тем, что находящийся в порах воздух сильно тормозит проникновение пропиточного раствора. Однако ввиду сложности проведения операции вакуумирования носителя в промышленных условиях ее чаще всего опускают.

2. Классификация метода пропитки

Пропитку можно осуществлять периодически и непрерывно. При непрерывной пропитке получают более однородный по составу катализатор. Для этого можно использовать батареи проточных смесителей или пропиточные машины, в которых основным конструктивным узлом является движущаяся бесконечная лента с подвешенными на ней сетчатыми корзинами из нержавеющей стали. Носитель загружают из бункера в корзины. При движении ленты корзины опускаются на некоторое время в емкость с пропитывающим раствором, а затем поднимаются и перемещаются в обратном направлении, давая раствору стечь в емкость. Пропитанный носитель без выгрузки из машины, может быть подвергнут дальнейшим операциям.

Пропитка может быть однократной и многократной. Многократную пропитку используют, когда за один раз невозможно нанести требуемое количество солей. После каждой пропитки соли переводят термообработкой в нерастворимое состояние. При определении числа пропиток надо учитывать, что многие широкопористые носители быстро насыщаются вносимым компонентом, и увеличивать число пропиток здесь нецелесообразно. При обработке тонкопористых носителей каждая пропитка приводит к увеличению содержания активных компонентов в катализаторе и полное насыщение не наступает длительное время.

Следует иметь в виду, что тонкие поры при увеличении числа пропиток могут быть полностью забиты активным компонентом, и не будут участвовать в катализе. Для равномерного покрытия желательно иметь мультипористый носитель. В результате активный компонент в каждом конкретном случае наносится до определенного оптимума, который зависит от размера пор.

Известно несколько методов пропитки:

1.Метод окунания. Носитель погружают в пропиточный раствор и выдерживают некоторое время при определенной температуре и перемешивании. При этом некоторые компоненты избирательно адсорбируются на носителе. Для получения требуемого соотношения активных компонентов в катализаторе нужно готовить пропиточный раствор определенной концентрации.

Рассмотренным методом получают достаточно однородные по составу катализаторы. Однако имеются большие потери активных компонентов в растворе, остающемся после пропитки. Утилизировать отработанный пропиточный раствор не всегда возможно из-за наличия в нем вредных примесей (например, кремниевой кислоты при использовании в качестве носителя силикатов и алюмосиликатов).

2.Метод опрыскивания. Носитель опрыскивают раствором активных солей. При этом нет потерь пропиточного раствора, что особенно важно при изготовлении дорогостоящих катализаторов. Опрыскивание обычно производят при перемешивании носителя во вращающемся барабане с обогревом или в кипящем слое. Это позволяет в том же аппарате и сушить материал. Метод экономичен, но при его использовании трудно получить однородный продукт.

3.Пропитку с упариванием раствора применяют при получении сравнительно небольших количеств катализатора. При этом используют небольшой избыток раствора, который затем упаривают. По мере упаривания растет концентрация солей в растворе, соли отлагаются в тонком поверхностном слое носителя, что снижает общую активность катализатора, а в некоторых случаях и его механическую прочность.

4.Пропитку расплавом солей применяют в тех случаях, когда отсутствуют растворители, позволяющие проводить пропитку из растворов. Носитель погружают в расплав солей, содержащий активные компоненты в заданном соотношении, перемешивают, извлекают из аппарата и подвергают термической обработке.

5.Сухая пропитка или пропитка до определенной влажности, распределяет концентрацию по носителю в количество соответствующее объёму пор или несколько меньше. Это позволяет регулировать количество активных компонентов введенных в катализатор.

В независимости от способа пропитки, получают пористые носители.

3. Пропиточные аппараты и машины

Для пропитки носителя, кроме унифицированных реакторов, изготавливаемых машиностроительными заводами, применяют как нестандартные пропиточные реакторы, так и машины периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Пропиточный реактор непрерывного действия показан на рис. 3.

Основную часть пропиточного раствора подают через штуцеры под решетку, на которой находится слой пропитываемого носителя 3. Скорость движения раствора через носитель поддерживают несколько меньшей, чем критическая скорость взвешивания. Для перемешивания раствора и носителя через коллектор 1 подают воздух или перегретый пар. Обогрев осуществляют с помощью наварных спиральных элементов. Пропиточный раствор сливается через периферийные отверстия 5 в корпусе реактора. Пропиточный раствор непрерывно циркулирует в системе, причем по мере обеднения активными компонентами его корректируют. Ввод носителя и вывод пропитанного полупродукта осуществляют непрерывно небольшими порциями.

С этой целью кратковременно подают добавочное количество раствора, необходимое для перевода носителя во взвешенное состояние, и синхронно включают шнековый питатель 8, транспортирующий носитель из бункера 7 в реактор. Пропитанный носитель вместе с раствором сливается через отверстие 5 в желоб 6, и далее суспензия поступает на разделение.

Такая конструкция реактора позволяет избежать трудоемких и длительных операций загрузки и выгрузки носителя.

Рис. 3 Пропиточный реактор непрерывного действия: 1 -- коллектор для подачи воздуха, 2-- распределительная решетка, 3-- слой носителя, 4 -- спиральные нагревательные элементы, 5--сливные отверстия, 6 --желоб, 7--бункер, 8 -- шнековый питатель

Рис. 4 Сушильно-пропиточный реактор: 1 --пневмотранортная труба для загрузки носителя 2 -- спиральный нагревательный элемент; 3 --псевдоожиженный слой носителя, 4 -- решетка, 5 -- штуцера для выгрузки носителя, 6 -- разбрызгивающее устройство

Для предотвращения попадания большого количества раствора в бункер через шнековый питатель в корпусе питателя устанавливают резиновую обойму, устраняющую не плотности между шнеком и корпусом. Наиболее успешно такие реакторы могут работать при пропитке крупнозернистых сферических носителей с размером гранул не менее 2,5 мм.

Сушильно-пропиточный аппарат (рис. 4) обеспечивает возможность последовательного проведения ряда операций. Он используется в производстве цинкацетатного катализатора.

Носитель -- активный уголь -- подают в реактор через пневмо- транспортную трубу 1. При диаметре реактора примерно 2 м высота слоя носителя 3 составляет 600--700 мм. Для подготовки носителя к пропитке его сушат горячим воздухом, подаваемым под газораспределительную решетку 4. Расход воздуха на 20--30% превышает значение, необходимое для перевода слоя носителя во взвешенное состояние. По окончании сушки через разбрызгивающее устройство 6 подают раствор ацетата цинка. В качестве ожижающего агента используют воздух, нагретый до 120°С. Интенсивное перемешивание носителя обеспечивает равномерную пропитку при высокой интенсивности проведения процесс. Запыленную паровоздушную смесь выводят. Реактор обогревают паром, подаваемым в наварные спиральные элементы 2.

Рис. 5 Конвейерная пропиточная машина: 1-- корзины с носителем, 2--ванна, 3 -- направляющие профили, 4--загрузочное устройство, 5 --цепь ролика пластинчатая, 6 -- приводной механизм

После пропитки в этом же реакторе катализатор вызревает; при этом для исключения его подсушивания воздух, подаваемый для псевдоожижения, смешивают с определенным количеством влажного водяного пара. Сушат катализатор горячим воздухом при температуре взвешенного слоя 70--110°С. Перед выгрузкой пропитанный носитель охлаждают холодным воздухом, а затем выгружают через штуцер 5 при псевдоожиженном состоянии катализатора.

Конвейерные пропиточные машины перспективны для применения в крупнотоннажных производствах (рис. 5). Носитель с помощью загрузочного устройства 4 дозатора загружают в корзины, установленные на осях между ролико-пластинчатыми цепями 5. Цепи движутся с помощью приводного механизма 6 и профилей 3, изменяющих направление перемещения роликов цепи и соединенных с ними корзин. При своем движении корзины последовательно опускаются в ванны с пропиточными растворами, при этом продолжительность пропитки определяется скоростью перемещения корзин и длиной ванн При подъеме корзин раствор стекает в соответствующие ванны. Концентрацию пропиточных растворов поддерживают на постоянном уровне, обеспечивающем оптимальные условия пропитки. В таких пропиточных машинах можно осуществлять не только пропитку носителя, но и его подготовку, а также последующие операции сушки и прокаливания. Подобные машины применяют в производстве никелевых катализаторов на активном угле или оксиде алюминия.

4. Стадия сушки катализатора

Сушка и термообработка исходных, промежуточных или конечных продуктов являются обязательными операциями при получении любого катализатора. Сушка направлена на удаление влаги.

Сушку по способу подвода теплоты разделяют на:

конвективную-- непосредственное соприкосновение осадка с сушильным агентом;

контактную -- передача теплоты от стенки сушилки к материалу за счет теплопроводности последнего;

электрическую -- с использованием токов высокой частоты.

распылительная сушка, при которой твердые сухие частицы получают при испарении влаги из диспергируемого на мелкие капли раствора или суспензии. Этот метод, являясь, по существу, конвективным, позволяет одной операцией заменить процессы фильтрования, сушки и формования, однако требует больших затрат энергии. Распылительное испарение раствора можно сочетать с последовательно установленными сушилками кипящего слоя.

Скорость сушки зависит от характера связи влаги с материалом и механизма перемещения ее из глубины твердого тела к поверхности испарения, определяемого главным образом порозностью. Если влага содержит растворенные вещества, скорость сушки замедляется из-за отложения этих веществ на стенках каналов (пор), а это приводит к уменьшению размеров последних. В процессе сушки наибольшее значение имеют размеры и форма частиц, влажность, стойкость материала к нагреванию.

5. Стадия активация катализаторов

Активируют, то есть с помощью физических и химических процессов переводят в активную форму. Процесс активации чаще всего заключается в прокаливании или разложении при нагревании с последующим восстановлением для получения металлического катализатора.

Прокаливание -- одна из важных операций при изготовлении катализаторов. При прокаливании, вследствие термической диссоциации, получается собственно активное вещество катализатора. Условия прокаливания (температура,время,среда) в значительной степени определяют средний диаметр пор и размер поверхности. Прокаливание обычно проводят при температуре, равной или превышающей температуру каталитической реакции. В крупнотоннажных производствах катализаторов применяют прокалочные печи с непосредственным обогревом катализатора нагретым воздухом или дымовыми газами (в частности, вращающиеся печи), реакторы шахтного типа, взвешенного слоя и др. В малотоннажных производствах катализаторов часто используют муфельные печи с электрическим нагревом.

Литература

1.Промышленные катализаторы гидрогенизационных процессов нефтепереработки. Б. К. Нефедов М., 1987..

2.Технология катализаторов, под ред. И. П. Мухленова, 2 изд.. Л., 1979;

3.Катализ и производство катализаторов, Колесников И.М. М.:"Техника", 2004.

4.Промышленные катализаторы гидрогенизационных процессов нефтепереработки Радченко Е.Д., Нефедов Б.К., Алиев Р.Р. М.: Химия, 1987.

Размещено на Allbest.ru