Литература по вопросам взвешенного (псевдоожиженного, кипящего) слоя весьма обширна. Особенно подробно освещены общие вопросы гидродинамики взвешивания твердых частиц, теплообмена и принципов устройства аппаратов кипящего слоя, в меньшей степени — технология конкретных каталитических процессов в кипящем слое.

Процессы в кипящем слое катализатора имеют свою специфику в вопросах гидродинамики, теплообмена и особенно скорости химических процессов и связанного с ними двойного массообмена. В настоящей монографии и предпринята попытка в сжатой форме изложить основы гидродинамики, тепло- и массообмена применительно к каталитическим процессам с их узкофракционным гранулометрическим составом твердой фазы, при сравнительно небольших числах взвешивания (псевдоожижения). Основным же содержанием книги является описание конкретных технологических процессов в кипящем слое катализатора, методов приготовления износоустойчивых катализаторов и каталитических реакторов.

В значительной степени книга написана по результатам исследований, выполненных ее авторами, что естественно, накладывает отпечаток на изложение материала.

Важнейшими факторами, с помощью которых технолог-химик ускоряет химические процессы, увеличивает выход и качество продукта, являются регулирование концентрации исходных веществ, температуры и давления, усиление перемешивания реагентов и применение катализаторов. Перемешивание ускоряет лишь подвод реагентов в зону реакции. Повышением концентраций исходных веществ, температуры или давления можно увеличить скорость химической реакции в отдельных процессах в сотни и даже в тысячи раз. Однако применение этих факторов всегда ограничено технологией производства и повышением себестоимости продукции. Например, ускорение любой экзотермической химической реакции путем повышения температуры ограничено, прежде всего тем, что равновесие реакции смещается при этом в сторону исходных веществ и выход продукта понижается.

Катализаторы могут ускорять химические реакции в сотни тысяч и в миллионы раз. Благодаря их применению стало возможным проводить при не очень высоких температурах такие экзотермические реакции, которые без катализаторов были просто невозможны из-за того, что реакция могла бы начаться с заметной скоростью лишь при очень высоких температурах, соответствующих полному сдвигу равновесия в сторону исходных веществ, т. е. практически к нулевому выходу продукта. К реакциям такого типа, промышленное осуществление которых было бы невозможно без катализаторов, относятся, частности, окисление сернистого ангидрида, синтезы аммиака, метанола, этанола в паровой фазе и многие другие важнейшие промышленные процессы.

Катализ — наиболее аффективное и рациональное средство ускорения химических реакций. В последние годы свыше 90% вновь вводимых химических производств включают в качестве важнейшего этапа каталитические процессы.

Катализаторы применяют в производстве таких важнейших продуктов неорганической технологии как водород, аммиак, азотная и серная кислоты.

Особенно разнообразно применение катализаторов в технологии органических веществ. Каталитические реакции доминируют в промышленности органического синтеза при проведении реакций: окислении и восстановления, гидрирования и дегидрирования, гидратации и дегидратации, полимеризации, поликонденсации и т. д. С помощью катализаторов получают такие кислородные производные углеводородов, как метанол, этанол и высшие спирты, формальдегид, ацетальдегид, ацетон, уксусную и другие органические кислоты. Каталитические процессы служат для получения мономеров, необходимых в производстве каучука, пластических масс, синтетических волокон, лаков и других высокомолекулярных соединений. В частности, при участии катализаторов получают: бутадиен, изопрен, стирол, изобутилен, акрилонитрил и многие другие мономеры. При переработке мономеров в полимеры также применяют катализаторы.

На участии катализаторов основаны многие способы переработки нефтепродуктов: каталитический крекинг, риформинг, алкилирование, изомеризация и ароматизация. С применением катализаторов осуществляют производство моторных топлив из каменного угля, т.е. ожижение топлива. В пищевой промышленности с помощью катализаторов получают ценные твердые жиры.

Условия применения катализаторов в различных производствах существенно различаются. Каталитические процессы делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенные каталитические процессы, в которых и катализатор и реагирующие вещества находятся в одной однородной среде — газовой или жидкой — применяются в промышленности сравнительно редко.

Гетерогенные каталитические процессы характеризуются тем, что твердый или жидкий катализатор находится в иной фазе, чем реагирующие вещества. Последние также могут находиться частично в газовой фазе и частично в жидкой. Наиболее часто применяют твердые катализаторы для реакции в газовой среде, в меньшей степени — для катализа в жидкой фазе.

Эффективность каталитического процесса определяют активностью катализатора и способом его применения. Твердые катализаторы применяют в неподвижном (фильтрующем) слое, во взвешенном (кипящем) слое, в виде распыленной взвеси в потоке газа или жидкости и в виде движущегося слоя катализатора.

В аппаратах фильтрующего слоя зернистый катализатор расположен слоями на одной или нескольких решетках. Поток газовых и жидких реагентов проходит через слои катализатора обычно сверху вниз, а в некоторых случаях и снизу вверх. При этом поток омывает зерна катализатора – происходит катализ и одновременно в слое остаются твердые взвеси, имевшиеся в потоке, отсюда и название – фильтрующий слой. Метод применения катализатора в виде фильтрующих слоев, расположенных по всему сечению реактора или же внутри теплообменных труб, давно освоен промышленностью и наиболее широко применяется в настоящее время. Однако в последние годы в ряде каталитических процессов фильтрующий слой заменяется Взвешенным (в частности кипящим) или потоком взвеси катализатора…