Каталитические процессы и реакторы

Применение катализаторов позволяет ускорять химические реак­ции в тысячи и даже в миллионы раз, поэтому катализ очень рас­пространен в различных отраслях химической промышленности. Около 70% химических производств включают каталитические стадии. Ряд промышленных процессов удалось осуществить толь­ко благодаря применению катализаторов, в частности, к ним от­носятся крупномасштабные производства аммиака, азотной и сер­ной кислот, синтетического каучука. Разнообразно применение катализа в органических синтезах для ускорения реакций окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации и др. С помощью катализаторов получают основные полупродукты для синтеза полимеров. Громадное значение в обеспечении авто- и авиатранспорта моторными топливами имеют процессы каталитического крекинга и риформинга нефтепродуктов.

СУЩНОСТЬ И ВИДЫ КАТАЛИЗА

Катализом называется увеличение скорости химических реакций или возбужде­ние их при воздействии веществ-катализаторов, которые участвуют в реакции, вступая в промежуточное химическое взаимодействие с реагентами, но восстанавливают свой химический состав с окончанием акта катализа.

Неко­торое представление о каталитических процессах, применяемых в промышленности, дает табл. 1 (см. Приложение).

По принципу фазового состояния реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные.

При гомогенном катализе и катализатор, и реагенты находят­ся в одной фазе — газовой или жидкой. При гетерогенном ката­лизе катализатор и реагенты или продукты реакции находятся в разных фазах; обычно применяют твердые катализаторы.

Переходным от гомогенного к гетерогенному является микро­гетерогенный, в том числе ферментативный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном состоянии.

Если термодинамически возможны различные параллельные реакции основного исходного вещества, то применение катализа­тора, ускоряющего одну из возможных реакций, позволяет подав­лять остальные и получать такой целевой продукт, который при некаталитической реакции не получается. В ряде процессов при­менение катализаторов разного действия позволит получить со значительным выходом различные продукты.

При изменении реакционного пути с участием катализатора реакция протекает через ряд элементарных стадий, которые тре­буют меньшей энергии активации, чем прямая реакция без катали­затора.

Практическое поведение промышленных катализаторов связа­но с основными их технологическими характеристиками: активно­стью, температурой зажигания, избирательным действием (селек­тивностью), износоустойчивостью, термостойкостью, отравляемостью и т. п. Основной характеристикой катализаторов служит их активность, т. е. мера ускоряющего действия катализатора по отношению к данной реакции.

Все каталитические реакции, происходящие при гомогенном и гетерогенном катализе, делят по типу взаимодействия катализа­тора с реагирующими веществами на два основных класса: окислительно-восстановительное (гомолитиче­ское) и кислотно-основное (гетеролитическое) взаимодействия.

Общий механизм электронного окислительно-восстановительно­го катализа заключается в обмене электронами между катализа­тором и реагентами, который облегчает электронные переходы в реагирующих молекулах. Механизм обычного ионного, кислотно-основного катализа заключается в обмене протонами или ионами (катионами и анионами) между катализатором и реагирующими молекулами. Образующиеся промежуточные активированные комплексы неустойчивы и распадаются или реагируют с другой молекулой. В обоих случаях катализатор регенерируется.

К окислительно-восстановительным относят многочисленные реакции окисления, гидрирования, дегидрирования. Типичными катализаторами для окислительно-восстайовительных реакций служат металлы (Fe, Cu, Ag, Ni, Pt, Pd и др.) и оксиды металлов переменной валентности, в частности Fe₂O₃, Cr₂O₃, CuO, V₂O₅ и др. К кислотно-основным относят реакции: гидратации и дегидратации, гидролиза, полимеризации, поликонденсации, кре­кинга, изомеризации, алкилирования. Типичные катализаторы кис­лотно-основных реакций — кислоты и основания, H₂SO₄, H₃PO₄, SiO₂, A1₂O₃, NaOH и др. Сложные многокомпонентные катализаторы могут одновременно ускорять как окислительно-восстановительные, так и кислотно-основные реакции.

Избирательные (селективные) катализаторы ускоряют одну целевую реакцию из нескольких при многомаршрутных реакциях. Особенно важен такой катализ в производстве органических продуктов, когда селективность ката­лизаторов позволяет сильно ускорять одну полезную реакцию, проводить процесс при пониженной температуре, подавляя другие возможные реакции.

Автокаталитическими называются реакции, в которых катализатором является один из промежуточных или конечных продуктов реакции. Так, в цепных реакциях автокатализаторами служат свободные радикалы. К числу автокаталитических отно­сятся некоторые реакции разложения взрывчатых веществ, горе­ния, полимеризации и др.

Для автокатализа характерна малая скорость реакций в на­чальный период, называемый периодом индукции, и быстрое на­растание выхода продукта в последующий период в результате возрастания количества катализатора. В дальнейшем выход про­дукта увеличивается согласно закону действующих масс, так же как и для обычных реакций.

Для возбуждения цепных реакций в исходную смесь обычно вносится вещество — инициатор, которое, реагируя с исходным ве­ществом, вызывает зарождение цепи, т. е. образование первых свободных радикалов, и таким образом ускоряет реакцию подоб­но катализатору. Однако инициаторы в отличие от типичных ка­тализаторов расходуются в процессе реакции.

ГОМОГЕННЫЙ И ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ

Гомогенный катализ. Такой катализ может протекать в газовой или жидкой фазе. Механизм гомогенного катализа состоит в образовании между реагентами и катализаторами нестойких, промежу­точных соединений, существующих в той же фазе (газовой или жидкой), после распада которых образуется продукт реакции, а катализатор регенерируется. Процессы гомогенного катализа классифицируются по типу взаимодействия между реа­гирующими веществами и катализатором на окислительно-восста­новительное и кислотно-основное взаимодействие. По фазовому состоянию гомогенные каталитические процессы делят на жидкофазные (в растворах) и газофазные.

Катализаторами в растворах служат кислоты (кати­он Н⁺), основания (анион ОН^–), ионы металлов (Ме⁺, Ме²⁺), а
также вещества, способствующие образованию свободных радикалов.

Механизм кислотно-основного (ионного) катализа в растворах заключается в том, что идет обмен протонами между катализато­ром и реагирующими веществами, сопровождающийся внутримо­лекулярными превращениями. При кислотном катализе протон (или положительный ион) переходит сначала от катализатора к реагирующей молекуле, а при основном катализе катализатор служит вначале акцептором протона или донором аниона по отно­шению к молекуле реагента. В последующей стадии каталитиче­ской реакции протон перемещается в обратном направлении и ка­тализатор восстанавливает свой состав.

По такому типу протекают реакции гидратации, дегидратации, гидролиза, этерификации, поликонденсации в растворах. Приме­ром кислотно-основного катализа в растворе может служить гид­ратация олефинов в спирты, катализируемая кислотами (НА).

К ионным относятся и окислительно-восстановительные ката­литические реакции в растворах, ускоряемые ионами металлов с переменной степенью окисления: меди, марганца, железа.

Газофазный гомогенный катализ, т. е. процесс, при
котором и реагенты и катализатор — газы, применяют сравнительно редко. Примером его могут служить дегидратация уксусной кислоты в парах при участии катализатора — парообразного
триэтилфосфата, окисление метана в формальдегид кислородом
воздуха, ускоряемое оксидами азота.

Газофазный катализ может осуществляться по молекулярному
и радикальному цепному механизму.

При молекулярном механизме каталитической реакции происходит обмен атомами между катализатором и реагирующими веществами. /

Радикальный механизм гомогенного катализа возможен
как в газовой, так и в жидкой фазе. Катализатор служит инициа­тором, направляющим реакцию по цепному механизму. Ускорение
достигается в результате появления богатых энергией частиц —
свободных радикалов в процессе самой реакции. По такому меха­низму протекают некоторые окислительные реакции в газах, полимеризация в жидкой фазе и т. п.

Основным недостат­ком гомогенного катализа является трудность выделения катали­затора из конечной продукционной смеси (жидкости или газа), в результате чего часть катализатора теряется безвозвратно, а про­дукт загрязняется им. При гетерогенном катализе газовая или жидкая реакционная смесь легко отделяется от твердого катали­затора.

Гетерогенный катализ. Этот вид катализа широко применяется в промышленности. Подавляющее большинство известных про­мышленных гетерогенных каталитических процессов основано на реакциях между газообразными веществами с участием твердых катализаторов, хотя известны и другие сочетания по фазовому состоянию между реагирующими веществами и катализатором.

Существует несколько различных теорий, объясняющих про­цесс катализа. Каждая из этих теорий, дополняя и развивая друг друга, объясняет ускоряющее действие твердых катализаторов. Из большинства теоретических положений видно, что важную роль для катализа играют активные центры, т. е. неоднородные участки поверхности, обладающие повышенной активностью. Об­щим для всех теорий катализа является образование на поверх­ности твердого катализатора промежуточного соединения адсорбционного типа, которое не образует отдельных фаз и не обнару­живается чисто химическим анализом. Строение этого соединения представляют в разных гипотезах различно: в виде активного комплекса или активного ансамбля, определенного геометрического образования — мультиплета или химического соединения с участием свободных электронов катализатора. Свойства промежу­точного соединения определяют направление, а если процесс протекает в кинетической области, то скорость реакции.

Для цепных реакций катализ имеет обычно гетерогенно-гомогенный характер, т. е. на поверхности катализатора возникает радикал (гетерогенная стадия), который и возбуждает цепную ре­акцию в объеме газа или жидкости (гомогенная стадия).

Твердые катализаторы готовят и применяют, как правило, в виде небольших пористых зерен, таблеток, гранул. При этом внутренняя поверхность стенок пор может в сотни и тысячи раз превосходить внешнею поверхность зерна.

Каталитическая активность твердых пористых ката­лизаторов определяется как их химическим составом, так и пористой структурой, при которой подразумевают совокупность формы зерен, объема и размера пор и внутренней поверхности зерна. Ак­тивность катализатора пропорциональна поверхности, доступной для реагентов, но в тонкопористых катализаторах внутренняя поверхность может быть использована далеко не полностью из-за диффузионных торможений.

Процесс катализа на твердых пористых катализаторах состоит из следующих элементарных стадий: 1) диффузии реагирующих веществ из ядра потока к поверхности зерен катализатора; 2) диф­фузии реагентов в порах зерна катализатора; 3) активированной адсорбции (хемосорбция) на поверхности катализатора с образо­ванием поверхностных химических соединений — активированных комплексов: реагенты — катализатор; 4) перегруппировки атомов с образованием поверхностных комплексов: продукт — катализатор; 5) десорбции продукта с поверхности; 6) диффузии продуктов в порах зерна катализатора; 7) диффузии продукта от поверхности зерна катализатора в ядро потока.

В зависимости от определяющей стадии различают каталити­ческие процессы, происходящие в кинетической, внешне-диффузионной и внутридиффузионной областях. В кинетической области константа скорости процесса не зависит от коэффициентов диффузии.

Возможны две физические модели механизма каталитического
превращения (синтеза).

1. Адсорбируются оба реагента (А и В) и затем происходит взаимодействие их на катализаторе (К) с последующей десорб­цией.

Графически примерное изменение энергетического состояния системы по стадиям реакции представлено на рис. 1.

Рис. 1

2. Адсорбируется один реагент, например А, затем он реаги­рует с налетающими из газовой (жидкой) среды молекулами вто­рого реагента В. Так происходит синтез аммиака: ад­сорбируется азот, налетают и реагируют с ним молекулы водо­рода.

Выход продукта эндотермической реакции непрерыв­но увеличивается с повышением температуры. Типичным приме­ром эндотермической реакции может служить взаимодействие ме­тана с водяным паром на никелевом катализаторе:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂

Зависимость степени превращения (х) метана от температуры и концентрации реагентов приведена на рис. 2.

Степень превра­щения, т. е. выход водорода и СО, растет с повышением темпера­туры. При стехиометрическом расходе водяного пара (кривая 1) практически полное превращение метана может быть достигнуто в состоянии равновесия лишь при температурах выше 900°С. Увеличение концентрации водяного пара позволяет сдвинуть равнове­сие реакции вправо при более низких температурах (кривые 2 и 3). Аналогично увеличению концентрации действует и повышение давления. Действительный выход продукта х в эндотермических эоцессах изменяется подобно равновесному.

Для обратимых экзотермических реакций с повышением температуры равновесный выход продукта непрерывно уменьшается, а действительный выход увеличивается при низких температурах и уменьшается при высоких, проходя через максимум при оптимальной температуре (рис. 3).

На рис. 4 показана зависи­мость х от Т при постоянном х для катализаторов разной актив­ности: А₁>А₂>А₃>А₄, обла­дающих соответственно разной температурой зажигания.

акций, в частности для промышленных каталитических процессов: гидрирования, окисления, гидратации и др. Кривые рис. 3 и 4 типичны для реакций синтеза аммиака, каталитического окисле­ния SO₂, конверсии оксида углерода, окисления этилена в оксид этилена, синтеза углеводородов гидрированием СО и многих дру­гих процессов.

Время контактирования (соприкосновения) реагирую­щих веществ с катализатором — важная технологическая харак­теристика каталитического процесса, которая позволяет произво­дить расчет реакционных аппаратов.

Отравление катализатора — это частичная или полная потеря активности в результате действия небольшого количества веществ, называемых контактными ядами. Контактные яды обычно поступают в виде примесей к исходным реагентам (газам, жидкостям). Потеря активности происходит вследствие частичного или полного вы­ключения активной поверхно­сти катализатора. Механизм отравления специфичен для данного яда и катализатора и многообразен. Оно наступает в результате химического взаимодействия яда с катализатором с образованием каталитически неактивного соединения, активированной адсорб­ции яда на активных центрах катализатора, кристаллизации яда или его производного на поверхности катализатора.

Отравление может быть обратимым и необратимым. При обратимом отравлении активность катализатора снижается лишь во время присутствия ядов в поступающей смеси. При поступлении чистой смеси соединения яда с катализатором разлагаются, ад­сорбированный яд улетучивается и отгоняется вместе с продуктами реакции. Необратимое отравление является постоян­ным; отравленный катализатор выгружают из аппарата и заменяют новыми или же регенерируют экстракцией яда или катализа­тора из контактной массы.

Наиболее чувствительны к ядам металлические катализаторы, особенно из благородных металлов. Оксидные катализаторы менее чувствительны к ядам.

Помимо отравления активность катализатора может падать, во-первых, вследствие уменьшения активной поверхности при по­вышенных температурах, из-за рекристаллизации, спекания, оп­лавления кристаллов; во-вторых, при механическом экранирова­нии поверхности катализатора примесями, например пылью (в га­зе) или твердыми веществами, образующимися при катализе.

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ И ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЕ

Промышленные твердые катализаторы обычно не являются индивидуальными веществами. Они представляют собой, как прави­ло, сложную смесь, которая называется контактной массой. В контактной массе одни вещества являются собственно катализа­торами, а другие служат активаторами (модификаторами) и носи­телями.

Активаторами, или промоторами, называют вещест­ва, повышающие активность основного катализатора. Активация может происходить вследствие химического взаимодействия доба­вок с каталитическим веществом с образованием продуктов, обла­дающих повышенной каталитической активностью. Добавки могут образовывать с катализатором твердые растворы с электронной структурой, соответствующей большей каталитической активно­сти. Иногда активатор увеличивает поверхность каталитически ак­тивного вещества или повышает термостойкость катализатора, а иногда служит защитой основного катализатора от действия кон­тактных ядов.

Носителями, или трегерами, называют термостойкие, прочные, пористые вещества, на которые осаждением из раство­ра или другим способом наносят катализатор. Нанесение катали­тических веществ на пористый носитель обеспечивает их тонкое диспергирование, создает большую удельную поверхность при оп­тимальных размерах пор и повышает термостойкость катализато­ра, так как затруднено спекание его кристаллов, разобщенных на поверхности носителя. Кроме того, достигается экономия дорогих каталитических веществ, таких, как платина, палладий, серебро и др. Носитель обычно влияет и на активность катализатора, дей­ствуя как активатор. В качестве носителя чаще всего применяют оксид алюминия, силикагель, синтетические алюмосиликаты, као­лин, асбест, различные соли, активный уголь.

К промышленным катализаторам предъявляются следующие ос­новные требования: достаточно высокая активность, стойкость к действию контактных ядов, избирательность, стабильность в ра­боте, достаточная теплопроводность, термостойкость, механическая прочность, малая стоимость. К катализаторам реакторов кипящего слоя предъявляется дополнительное требование — высокая из­носоустойчивость зерен при ударах и трении друг о друга, о стен­ки реактора и теплообменных устройств.

Основные методы приготовления катализаторов. Существует несколько приемов (методов) приготовления катализаторов.

1. Осаждение гидроксидов или карбонатов из растворов их со­лей совместно с носителем или без носителя с последующим фор­мованием и прокаливанием контактной массы (осажденные ката­лизаторы). Так, катализаторы кислотно-основных реакций готовят соосаждением компонентов, например совместной коагуляцией ге­лей (алюмосиликаты, силикагель).

2. Смешение и совместное прессование порошков с получением
смешанных катализаторов или катализаторов с активаторами и
носителями, а также с вяжущими веществами.

3. Сплавление нескольких веществ (металлов или оксидов) с
последующим восстановлением металлов из оксидов водородом
(например, железный катализатор синтеза аммиака) или другими газами, иногда с последующим выщелачиванием одного из
металлов. Так, скелетный никелевый катализатор гидрирования
изготовляют сплавлением никеля с алюминием с последующим
выщелачиванием последнего. Иногда катализатор готовят в виде
тончайших сеток из сплавов различных металлов (платино-палладиево-родиевые сетки для окисления аммиака).

4. Пропитка пористого носителя раствором, содержащим катализатор и активатор, с последующей сушкой и прокалкой. К катализаторам данного вида относятся металлические, оксидные, солевые, кислотные и основные.

В качестве катализаторов применяют также некоторые мине­ралы и смеси их, например алюмосиликаты, оксиды железа, бокситы и т. п.

КАТАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Основные положения о химических реакторах, рассмотренные в лекции 3, относятся и к каталитическим реакторам.

Однако в устройстве и работе каталитических реакторов име­ются особенности, вызванные необходимостью обеспечения дей­ствия катализатора в оптимальных для него условиях.

Реакторы гомогенного катализа. Они имеют сравнительно про­стое устройство, мало отличающееся от некаталитических реакто­ров. Жидкофазные реакторы с катализатором, растворенным в жидкости, обычно являются смесителями с механическими мешал­ками, пневматическим или струйным перемешиванием. Для жидкофазного гомогенного катализа (катализатор растворен в жид­кости) в системе газ — жидкость применяют колонны с насадкой или барботажные аппараты. Газофазные каталитические экзотер­мические процессы можно осуществлять в пустотелых камерах со смешением исходных реагентов в соплах на входе в аппарат. Газофазные эндотермические процессы осуществляют в реакторах типа кожухотрубных теплообменников, в трубах которых проис­ходит катализ, а в межтрубном пространстве проходит горячий топочный газ. Так, в частности, осуществляется дегидратация паров уксусной кислоты с газообразным триэтилфосфатом в каче­стве катализатора.

Реакторы гетерогенного катализа. Реакторы, работающие на твердых катализаторах, применяют для газо- и жидкофазных про­цессов. Большинство промышленных каталитических процессов осуществляют в газообразной среде в контактных аппаратах на твердых катализаторах.

По гидродинамическому режиму взаимодействия зернистого твердого катализатора с потоком газа каталитические реакторы делят на следующие группы: 1) с неподвижным (фильтрующим) слоем катализатора; 2) со взвешенным (кипящим) слоем катали­затора; 3) с непрерывно движущимся катализатором по всей вы­соте реакционного объема. Этой классификацией не охвачены ре­акторы поверхностного контакта с размещением катализатора в виде труб или сеток, через которые пропускается газ.

Контактные аппараты поверхностного кон­такта применяют реже, чем аппараты с фильтрующим или взве­шенным слоем катализатора. Аппараты такого типа целесообраз­но применять лишь для быстрых экзотермических реакций на вы­сокоактивном катализаторе, обеспечивающем выход, близкий к теоретическому. Время соприкосновения газа с поверхностью се­ток составляет тысячные — десятитысячные доли секунды. Такие аппараты просты по устройству и высокопроизводительны. Их ис­пользуют для окисления аммиака на платино-палладиево-родиевых сетках, для синтеза ацетона из изопропилового спирта на се­ребряных сетках. Эти же процессы с применением других менее активных, но более дешевых катализаторов проводят в аппаратах с фильтрующим или взвешенным слоем катализатора. В некото­рых случаях, чтобы совместить катализ и нагрев газовой смеси, катализатор наносят на стенки теплообменных труб.

Аппараты с фильтрующим слоем катализатора в настоящее время наиболее распространены. Они применимы для любого типа каталитических реакций. В этих аппаратах слой или несколько слоев катализатора неподвижно лежат на решетчатых опорах (полках) или загружены в трубы и через неподвижный катализатор пропускается смесь реагирующих газов при режиме, близком к идеальному вытеснению.

Катализатор имеет форму зерен, таблеток или гранул различ­ных размеров, но, как правило, не менее 4—5 мм в поперечнике, так как при более мелких частицах резко возрастает гидравличе­ское сопротивление слоя катализатора и легче происходит его спе­кание. Количество загруженного катализатора, высота, число сло­ев и расположение их в аппарате зависят от активности катализа­тора, характера каталитической реакции, условий теплообмена.

Аппаратурное оформление контактных аппаратов фильтрую­щего слоя с теплообменниками весьма разнообразно. Наиболее широко в промышленности применяют следующие типы: 1) ап­параты без теплообменников (когда это возможно); 2) системы (агрегаты) контактных аппаратов с внешними теплообменниками; 3) полочные контактные аппараты ступенчатого отвода теп­лоты: а) с теплообменниками между полками, б) с охлаждением между полками введением холодных реагентов; 4) трубчатые ап­параты непрерывного отвода теплоты: а) с размещением катали­затора в трубах, б) в межтрубном пространстве. В отдельных типах аппаратов комбинируются полочные и трубчатые ступени или же совмещается отвод теплоты в теплообменни­ках с охлаждением газа введением холодных реагентов между полками.

Аппараты с фильтрующим слоем без теплообменных устройств наибо­лее просты по конструкции (рис. 5).

Они рабо­тают на адиабатическом тепловом режиме, при­чем температурный режим регулируется только изменением состава и температуры исходного газа. Такие аппараты можно применять: а) для практически необратимых экзотермических ре­акций; б) для реакций с низкой концентрацией реагентов, например при каталитической очист­ке газов окислением или гидрированием приме­сей; в) для экзотермических реакций с неболь­шим тепловым эффектом.

Существует несколько способов теплообмена в контактных ап­паратах, причем конструктивные приемы отвода теплоты из реак­ционного объема и подведения теплоты однотипны для проведения экзотермических и эндотермических реакций.

В контактных аппаратах с внешними теплооб­менниками теплообмен производится между стадиями контак­тирования для поддержания температурного режима, близкого к оптимальному. На рис. 6 приведена принципиальная схема. Та­кая схема характерна для обратимых экзотермических реакций. Свежий газ нагревается в теплообменнике 6 за счет теплоты про­дуктов реакции, прошедших контактирование, и затем последова­тельно проходит межтрубное пространство теплообменников 5 и 4, подогреваясь до температуры начала каталитической реакции (температуры зажигания t₃). Затем газ последовательно проходит через слои катализатора в контактных аппаратах и внутри труб соответствующих теплообменников.

Полочные контактные аппараты широко применя­ются в промышленности. Принципиальная схема аппарата для проведения экзотермических реакций представлена на рис. 7.

Между дырчатыми полками, на которых расположены слои катализатора, размещены теплообменники. В межтрубном пространст­ве теплообменников последовательно проходит свежий газ, охлаж­дая продукты реакции и нагреваясь до температуры начала реак­ции.

В трубчатых контактных а п п а р а т а х теплообмен происходит непрерывно и одновременно с каталитической реак­цией. Катализ происходит при политермическом режиме; тепловой эффект реакции частично компенсируется подводом или отводом теплоты. Примером контактного аппарата с двойными теплообменными трубками может служить один из типов колонны синтеза аммиака при среднем давлении.

В технологии широко используются аппараты со взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем катализатора. В кипящем слое применяют мелкозернистый катализатор обычно с размерами зерен от 0,05 до 3,0 мм. Исходные газы поступают в аппарат снизу вверх. Поток газа уравновешивает силу тяжести частиц катализатора, поэтому они находятся в постоянном контакте с молекулами газа. Теплопроводность кипящего слоя в тысячи раз выше неподвижного слоя катализатора. В результате слой изотермичен по высоте и сечению. В аппаратах такого типа эффективна работа водяных теплобменников, которые используются для получения товарного пара.

Главным недостатком взвешенного слоя по сравнению с непо­движным является снижение движущей силы процесса вследствие более полного перемешивания газа, а также из-за прохождения части газа через слой в виде крупных пузырей. Применение многослойных аппаратов позволяет сблизить движущую силу процесса в аппара­тах со взвешенным и неподвижным катализатором и одновремен­но приблизить температурный режим к оптимальному. Для неко­торого снижения степени перемешивания и разбивания крупных пузырей помещают во взвешенном слое насадки различных видов. Однако это усложняет конструкцию реактора. Другой недоста­ток — истирание зерен катализатора, особенно острых углов и ребер. Для взвешенного слоя необходимы высокопрочные, износоустойчивые, мелкозернистые контактные массы, те же контактные массы, которые используют в неподвижном слое, как правило, не применимы.

Реакторы с движущимся катализатором приме­няют для парофазного крекинга нефтепродуктов, но могут ис­пользоваться и в других процессах катализа, где требуется непре­рывная циркуляция катализатора между реактором и регенерато­ром. Здесь они успешно конкурируют с реакторами взвешенного слоя. Применяют контактные аппараты с движущимся катализа­тором двух типов: а) со взвесью мелкозернистого катализатора впотоке газа (восходящий поток); б) с плотным слоем крупнозер­нистого катализатора, опускающегося в шахтном аппарате сверху вниз в прямотоке или противотоке с реагирующими газами

Недостатком установок с восходящим потоком катализаторов является трудность полного отделения пылевидного катализатора отгазового потока. В этих установках много места занимают уловители катализаторной пыли: циклоны, электрофильтры.

Ферментативные биохимические процессы.Ферментативные процессы также относятся к каталитическим, поскольку протека­ют под действием природных катализаторов.

Биохимические процессы весьма перспективны для хи­мической технологии. Они происходят в живой природе в атмо­сферных условиях (без повышения температуры, давления) под действием высокоактивных природных катализаторов — ферментов и гормонов, а также микроорганизмов, содержащих эти катализа­торы. Возможности биохимических процессов в промышленности не ограничены, хотя природные биохимические процессы пока не­достаточно изучены и еще мало воспроизведены в модельных ус­ловиях.