Экспериментальные методы исследования гетерогенных катализаторов

- 1 -





















Экспериментальные методы исследования гетерогенных катализаторов.






































Содержание



Интегральные, дифференциальные лабораторные реактора. 

Изотопные методы в катализе. 

Термопрограммированные десорбция и реакция. 

Флеш-десорбция.




Классификация лабораторных реакторов

(по C. Perego, S. Peratello. Catal. Today, 52 (1999), 133-145)



Скорость химической реакции – дифференциальная и интегральная.

 Изменение количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства.

В статическом  реакторе V=const, поэтому ,

в проточном реакторе t=const, поэтому ,

Интегральная скорость (производительность) .


Принципиальный вид конструкции лабораторных реакторов

(по C. Perego, S. Peratello. Catal. Today, 52 (1999), 133-145)





Требования к реактору идеального вытеснения.

Преимущества и недостатки различных конструкций лабораторных реакторов смешения – виброреактор, реактор Карберри, реактор Берти, проточный реактор с внешним перемешиванием.

(по рекламе Autoclave Engineers)



Материальный баланс реактора смешения с внешним перемешиванием





(по Б. Лич. Катализ в промышленности. Т.1. М., Мир. 1986 )



Изотопные методы в катализе



Кинетика изотопного гетеро- и гомомолекулярного обмена.



R или R1 – скорости переноса метки, зависящие от концентраций веществ и температуры.

Кинетический изотопный эффект.

Физические основы метода.



Метод меченных атомов.

Стационарно-нестационарный изотопный кинетический метод.

Принципиальная схема установки. Кинетические основы метода.



(по Y. Schuurman at al. Catal. Today, v.38 (1997), p.129  )



Термопрограммированные десорбция и реакция

Уравнение Поляни-Вигнера для кинетики термодесорбции.


Флеш-десорбция



Физические основы метода.

Определение основных физических характеристик катализаторов: удельная поверхность катализатора и активного компонента, пористость, механическая прочность, кислотность.

Удельная поверхность катализатора.

Наиболее распространенный метод – метод БЭТ.

В основе вывода уравнения БЭТ лежат следующие модельные предположения:

Адсорбция физическая и поэтому многослойная.

Теплота адсорбции первого слоя отлична (выше) от теплоты адсорбции в остальных слоях, которая, в свою очередь, близка к теплоте конденсации адсорбирующегося пара.

Предэкспоненциальные факторы адсорбционных коэффициентов для всех слоев, кроме первого, равны между собой.

;



Вид изотермы и возможности использования изотермы БЭТ для определения удельной поверхности зависят от величины константы С, которая по физическому смыслу модели равна отношению адсорбционных коэффициентов в первом и последующем слоях.

.

Удельная поверхность нанесенного на носитель металла (активного компонента).

Селективная хемосорбция кислорода, водорода и оксида углерода.

Удельная поверхность слоя зернистого материала.

Гидродинамические основы метода. Уравнение Эргуна.



Механическая прочность катализаторов



Прочность гранул катализатора по составляющей и по торцам. Прочность катализаторов для процессов в псевдоожиженном слое на истирание.



Пористость



Классификация пор по размерам (микропоры – до 2 нм, макропоры – свыше 50 нм). Порометрия микропор. Физические основы метода. Уравнение Кельвина (Томпсона), связывающее характерный размер пор  с поверхностным натяжением  и давлением  пара p.



Ртутная порометрия макропор. Физические основы метода. Уравнение Уэшбора, связывающее характерный размер пор  с величиной поверхностного натяжения ртути .





Плотность



Определение истинной плотности методом гелиевой пикнометрии.

Определение кажущейся плотности с помощью вытеснения ртути.

Насыпной вес.



Кислотность поверхности катализаторов



Методы измерения кислотности – калориметрия, термопрограммированная десорбция, адсорбция оснований, ИК-спектроскопия.