Методы определения активности катализаторов

Наиболее существенной характеристикой любого катализатора является его активность в определенном каталитическом процессе. Выбор методики исследования активности связан с особенностями реакций, условиями эксперимента и т. д.

Мерой каталитической активности может служить скорость протекания реакции в исследуемом направлении в присутствии катализатора. Активность можно выражать так же снижением энергии активации при участии катализатора или отношением константы скорости данной реакции в присутствии катализатора к константе скорости этой же реакции без него.

При оценке активности контактных масс в производственных условиях обычно вычисляют скорость реакции по отношению к единице объема контакта по уравнениям

(1)

где Gn— количество полученного целевого продукта; G — количество основного вещества, превратившегося за время т в объеме катализатора v; k — константа скорости каталитического процесса; С — движущая сила процесса, выражаемая произведением действующих концентраций исходных веществ и учитывающая тормозящее влияние продуктов реакции.[1]

Скорость реакции выражают и нарастанием концентрации продукта Сп во времени или степенью превращения в целевой продукт основного исходного вещества х (выход продукта), т.е. dCn / dф или dx / dф.

Если скорость реакции выражать через концентрацию основного исходного вещества (реагента) С или через его начальную концентрацию Сн и общую степень превращения, то искомая величина составит – dCн / dф или – Cнdx / dф. Определяющим во всех этих случаях будет произведение к∆С [в литературе иногда вместо ∆С пишут f (C)].

При оценке самого активного компонента контактной массы следует определить активность единицы поверхности (удельная каталитическая активность). С этой целью необходимо замерить всю внутреннюю поверхность и полностью ее использовать в реакции, т.е. вести процесс в кинетической области. В этом случае скорость, реакции выражается формулами

(2)

где Syд — поверхность катализатора, м2/м3 контактной массы.[1]

Существует много различных методов определения кинетических характеристик, которые могут быть разделены на две основные группы: 1) статические, осуществляемые в закрытых системах и 2) проточные — в открытых системах.

Статический метод

Реакцию проводят в замкнутом объеме до установления термодинамического равновесия, либо до полного превращения одного из исходных реагентов. Концентрация реагентов меняется от исходной до равновесной, соответственно меняется и скорость реакции по закону действующих масс (основному закону кинетики). В исследуемом объеме при отсутствии диффузионных торможений и постоянстве температуры имеют место соотношения [1]

(3)

где Ci — концентрация компонента реакционной смеси; Т —температура; lj — пространственные координаты реакционной системы; — время.