References

catal

Катализ в промышленности

Kataliz v promyshlennosti

1816-03872413-6476

LLC "KALVIS"

10.18412/1816-0387-2017-4-266-277

catal-420

Research Article

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КАТАЛИЗА

GENERAL PROBLEMS OF CATALYSIS

Особенности исследования и реализации экзотермических реакций на гетерогенных катализаторах

Special Aspects of Investigation and Implementation of Exothermic Reactions over Heterogeneous Catalysts

Кипнис

M. A.

Kipnis

M. A.

ctls@kalvis.ru

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, МоскваРоссияTopchiev Institute of Petrochemical Synthesis, MoscowRussian Federation

2017

20072017

174266277

2017

LLC "KALVIS"

https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/420

В обзоре проанализированы общие закономерности протекания экзотермических каталитических реакций на гетерогенных катализаторах. Представлены данные по исследованию и реализации ряда практически важных экзотермических каталитических реакций: парциального окисления углеводородов и СО, синтеза спиртов и углеводородов из СО и Н2, гидрирования углеводородов, предпочтительного окисления СО. При вариации температуры или концентрации поступающего на катализатор сырья система может проходить через воспламенение и затухание поверхности катализатора, переходя из состояния с низкой активностью в состояние с высокой активностью (внешнедиффузионный режим) и обратно так, что при этом наблюдается температурный или концентрационный гистерезис. С использованием критерия Семенова рассмотрены возможные варианты температурного профиля, устанавливающегося в трубчатом каталитическом реакторе при стационарном протекании экзотермической реакции. В зависимости от соотношения скоростей теплоподвода и теплоотвода можно классифицировать реакторы как изотермические, политропические, адиабатические. Политропические реакторы характеризуются наличием горячей зоны, смещенной к входу в слой катализатора. Отмечено, что на характер температурного профиля в слое катализатора влияют: протекание наряду с экзотермической реакцией реакции эндотермической, прочная адсорбция одного из реагентов, дезактивация катализатора. Рассмотрены особенности перехода реакции в режим неизотермических колебаний.

The review paper deals with analysis of general features of exothermic catalytic reactions over heterogeneous catalysts. Data on studying and arrangement of a number of practically important catalytic reactions are discussed: partial oxidation of hydrocarbons and CO, syntheses of alcohols and hydrocarbons from CO and H2, hydrocarbon hydrogenation, preferable oxidation of CO. Variations in temperature or concentration of materials fed to the catalyst may result the system in passing through ignition and fading of the catalyst surface by transiting from the low active state to the high active state (external diffusion control regime) and back so that a temperature or concentration hysteresis is observed. The Semenov criterion is used for considering possible temperature profiles established in the catalytic tube reactor during stationary exothermic reaction. The reactors can be classified into isothermic, polytropic, adiabatic depending on the ratio of heat supply and sink rates. The presence of the hot zone shifted to the inlet to the catalyst bed is characteristic of the polytropic reactors. It is emphasized that the temperature profile is influenced by: occurrence of an endothermic reaction along with the exothermic reaction; strong adsorption of one of the reactants; catalyst deactivation. Specific aspects of the reaction transition to the regime of non-isothermic oscillations are considered.

экзотермические реакциивнешнедиффузионный режимтемпературный гистерезисреакции окислениягидрирование

exothermic reactionsthe external diffusion control regimetemperature hysteresisoxidation reactionshydrogenation reactions

References1

Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. 492 с.

Сеттерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа. М.: Мир, 1984. 520 с.

Махлин В.А. // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. С. 261—275.

Kiwi-Minsker L., Ruta M., Eslanloo-Pereira T., Bromley B. // Chem. Eng. Proc. 2010. V. 49. P. 973.

Hayer F., Bakhtiary-Davijany H., Myrstad R., Holmen A., Pfeifer P., Venvik H.J. // Chem. Eng. J. 2011. V. 167. P. 610.

Hayer F., Bakhtiary-Davijany H., Myrstad R., Holmen A., Pfeifer P., Venvik H.J. // Top. Catal. 2011. V. 54. P. 817.

Yu X., Li H., Tu S.-T., Yan J., Wang Z. // Int. J. Hydrogen energy. 2011. V. 36. P. 3778.

Kikas T., Bardenshteyn I., Williamson C., Ejimofor C., Puri P., Fedorov A.G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 6273.

Vakili R., Pourazadi E., Setoodeh P., Eslamloueyan R., Rahimpour M.R. // Appl. Energ. 2011. V. 88. P. 1211.

Vakili R., Setoodeh P., Pourazadi E., Iranshahi D., Rahimpour M.R. // Chem. Eng. J. 2011. V. 168. P. 321.

Rahimpour M.R., Farniaei M., Abbasi M., Javanmardi J., Kabiri S. // Energ. Fuel. 2013. V. 27. P. 1982.

Wang T., Wang J., Jin Y. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. P. 5824.

Матрос Ю.Ш. Каталитические процессы в нестационарных условиях. Новосибирск: Наука, 1987. 229 с.

Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. М.: Наука, 1988. 304 с.

Unsteady state processes in catalysis: proc. int. conf. 5-8 june

, Novosibirsk, USSR. Ed. Yu. Sh. Matros. — Utrecht: VSP. — III.

Han D.H., Park O.O., Kim Y.G. // Appl. Catal. A. Gen. 1992. V. 86. P. 71.

Bos A.N.R., Hof E., Kuper W., Westerterp K.R. // Chem. Eng. Sci. 1993. V. 48. P. 1959.

Sheng M., Yang H., Cahela D.R., Yantz W.R. Jr., Gonzalez C.F., Tatarchuk B.J. // Appl. Catal. A: Gen. 2012. V. 445—446. P. 143.

Каган Ю.Б., Пономаренко А.Т., Розовский А.Я., Локтев С.М., Башкиров А.Н. // Нефтехимия. 1965. Т. 5. С. 82.

Каган Ю.Б., Пономаренко А.Т., Розовский А.Я. // Кинетика и катализ. 1966. Т. 7. С. 679.

Кипнис М.А., Самохин П. В., Волнина Э. А. // Кинетика и катализ. 2013. T. 54. C. 235.

Amin A., Abedi A., Hayes R., Votsmeier M., Epling W. // Appl. Catal. A: Gen. 2014. V. 478. P. 91.

Kipnis M.A., Volnina E.A. // Appl. Catal. B. Env. 2011. V. 103. P. 39.

Kipnis M.A., Volnina E.A. // Appl. Catal. B. Env. 2010. V. 98. P. 193.

Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А., Лин Г.И., Самохин П.В. // Кинетика и катализ. 2007. Т. 48. С. 750.

Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А. и др. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. С. 718.

Кипнис М.А., Волнина Э.А. // Кинетика и катализ. 2010. Т. 51. С. 295.

Кипнис М.А., Волнина Э.А., Ежов А.А., Иванов В.К. // Кинетика и катализ. 2013. T. 54. C. 373.

Kipnis M. // Appl. Catal. B: Env. 2014. V. 152—153. P. 38.

Carlsson P.-A., Skoglundh M., Thormählen P., Andersson B. // Top. Catal. 2004. V. 30/31. P. 375.

Saramat A., Thormählen P., Skoglundh M., Attard G.S., Palmqvist A.E.C. // J. Catal. 2008. V. 253. P. 253.

Arnby K., Assiks J., Carlsson P.-A., Palmqvist A., Skoglundh M. // J. Catal. 2005. V. 233. P. 176.

Abedi A., Hayes R., Votsmeier M., Epling W.S. // Catal. Lett. 2012. V. 142. P. 930.

Carlsson P.-A., Skoglundh M. //Appl. Catal. B: Env. 2011. V. 101. P. 669.

Bos A.N.R., Van de Beld L., Overkamp J.B., Westerterp K.R. // Chem. Eng. Comm. 1993. V. 121. P. 27.

S. Heinrich, F. Edeling, C. Liebner, H. Hieronymus, T. Lange, E. Klemm // Chem. Eng. Science. 2012. V. 84. P. 540.

Drewsen A., Ljungqvist A., Skoglundh M., Andersson B. // Chem. Eng. Sci. 2000. V. 55. P. 4939.

Cunningham D.A.H., Kobayashi T., Kamijo N., Haruta M. // Catal. Lett. 1994. V. 25. P. 257.

Fujitani T., Nakamura I. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2011. V. 50. P. 10144.

Розовский А.Я. Гетерогенные химические реакции. Кинетика и макрокинетика. М.: Наука, 1980. 323 с.

Kiewidt L., Thöming J. // Chem. Eng. Sci. 2015. V. 132. P. 59.

Rönsch S., Schneider J., Matthischke S. et al. // Fuel. 2016. V. 166. P. 276.

Pinkerton B., Luss D. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. P. 1898.

Sun M., Croiset E.B., Hudgins R.R., Silveston P.L., Menzinger M. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 37.

Nilsen O., Kjekshus A., Fjellvåg H. // Appl. Catal. A: Gen. 2001. V. 207. P. 43.

Pontzen F., Liebner W., Gronemann V., Rothaemel M., Ahlers B. // Catal. Today. 2011. V. 171. P. 242.

Viswanathan G.A., Sheintuch M., Luss D. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 7509.

Боресков Г.К., Слинько М.Г. // Химическая промышленность. 1960. № 3. С. 17.

Dybkjaer I. In book «Ammonia: Catalysis and Manufacture». 1995. by A. Nielsen (Ed.)

Hirotani K., Nakamura H., Shoji K. // Catal. Surveys from Japan. 1998. V. 2. P. 99.

Tijm P.J.A., Waller F.J., Brown D.M. // Appl. Catal. A: Gen. 2001. V. 221. P. 275.

Jahanmiri A., Eslamloueyan R. // Chem. Eng. Comm. 2002. V. 189. P. 713.

Abrol S., Hilton C.M. // Comput. Chem. Eng. 2012. V. 40. P. 117.

Farsi M., Eslamloueyan R., Jahanmiri A. // Chem. Eng. Process. 2011. V. 50. P. 85.

Shahrokhi M., Baghmisheh G.R. // Chem. Eng. Sci. 2005. V. 60. P. 4275.

Aguilar R., Poznyak A., Martínez-Guerra R., Maya-Yescas R. // J. Process Control. 2002. V. 12. 695.

Davis B.H. // Top. Catal. 2005. V. 32. Р. 143.

Dry M.E. // Catal. Today. 2002. V. 71. Р. 227.

Pennemann H., Kolb G. // Catal. Today. 2016. V. 278. P. 3.

Sheng M., Yang H., Cahela D.R., Tatarchuk B.J. // J. Catal. 2011. V. 281. P. 254.

Visconti C.G., Groppi G., Tronconi E. // Catal. Today. 2016. V. 273. P. 178.

Tronconi E., Groppi G., Visconti C.G. // Curr. Opin. Chem. Eng. 2014. V. 5. P. 55.

Gräf I., Rühl A.-K., Kraushaar-Czarnetzki B. // Chem. Eng. J. 2014. V. 244. P. 234.

Baronskaya N.A., Minyukova T.P., Sipatrov A.G. et al. // Chem. Eng. J. 2007. V. 134. P. 195.

Odunsi A.O., O’Donovan T.S., Reay D.A. // Appl. Thermal Eng. 2016. V. 93. P. 1377.

Rozovskii A.Ya., Lin G.I., Kipnis M.A. et al. // Top. Catal. 2007. V. 42—43. P. 437.

Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А., Самохин П.В., Лин Г.И. // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. C. 99.

Yarulina I., Kapteijn F., Gascon J. // Catal. Sci. Technol. 2016. V. 6. P. 5320.

Sørensen M.D.P. // Chem. Eng. Sci. 2014. V. 106. P. 126.

Horn R., Williams K.A., Degenstein N.J. et al. // J. Catal. 2007. V. 249. P. 380.

Wang M., Weng W., Zheng H. et al. // J. Nat. Gas Chem. 2009. V. 18. P. 300.

Bi Y., Lu G. // Appl. Catal. B: Env. 2003. V. 41. P. 279.

Beck I.E., Kriventsov V.V., Novgorodov B.N. et al. // Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2009. V. 603. P. 178.

Salomonsson P., Johansson S., Kasemo B. // Catal. Let. 1995. V. 33. P. 1.

Шутилов А.А., Зенковец Г.А., Пахаруков И.Ю., Просвирин И.П. // Кинетика и катализ. 2014. Т. 55. С. 115.

Carabineiro S.A.C., Nieuwenhuys B.E. // Surf. Sci. 2002. V. 505. P. 163.

Wang J.B., Lin S.-C., Huang T.-J. // Appl. Catal. A: Gen. 2002. V. 232. P. 107.

Manzoli M., Monte R.D., Boccuzzi F., Coluccia S., Kašpar J. // Appl. Catal. B: Env. 2005. V. 61. P. 192.

Subbotin A.N., Subbotina I.R., Golosman E.Z. // Mendeleev Commun. 2015. V. 25. P. 216.

Furusawa T., Kunii D. // J. Chem. Eng. Japan. 1971. V. 4. Р. 274.

Veser G., Frauhammer J., Schmidt L.D., Eigenberger G. // Stud. Surf. Sci. Catal. 1997. V. 109. P. 273.

Veser G., Frauammer J., Schmidt L.D. in book «Dynamics of surfaces and reaction Kinetics in Heterogeneous Catalysis», ed. G.F. Froment and K.C. Waugh. 1997. Elsevier Science. P. 273.

Kolodziecjczyk M., Colen R.E.R., Berdau M., Delmon B., Block J.H. // Surf. Sci. 1997. V. 375. P. 235.

Jaree A., Hudgins R.R., Budman H.M. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 1662.

Schüth F., Henry B.E., Schmidt L.D. // Adv. Catal. 1993. V. 39. P. 51.

Филд Р., Бургер М. Колебания и бегущие волны в химических системах / Под ред. А.М. Жаботинского. М.: Мир, 1988. 720 с.

Catal. Today. 2005. V. 105. I—II.

Imbihl R. // Surf. Sci. 2009. V. 603. P. 1671.

Слинько М.М., Слинько М.Г. // Кинетика и катализ. 1982. T. 23. C. 1421.

Ertl G., in book «Handbook of Heterogeneous Catalysis». 2008. V. 3. Р. 1462.

Ertl G. // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. V. 47. P. 3524.

Slinko M.M., Korchak V.N., Peskov N.V. // Appl. Catal. A: Gen. 2006. V. 303. P. 258.

Slinko M.M. // Catal. Today. 2010. V. 154. P. 38.

Слинько М.М. // Кинетика и катализ. 1995. Т. 36. С. 930.

Cordonier G.A., Schüth F., Schmidt L.D. // J. Chem. Phys. 1989. V. 91. P. 5374.

Beusch H., Fieguth P., Wicke E. // Chem.-Ing.-Tech. 1972. V. 44. P. 445.

Wicke E. // Chem.-Ing.-Tech. 1974. V. 46. P. 365.

Fieguth P. Wicke E. // Chem-Ing.-Technik. 1971. V. 43. P. 604.

100

Wicke E., Onken H.U. // Chem. Eng. Sci. 1986. V. 41. P. 1681.

101

Слинько М.Г. // Основы и принципы математического моделирования каталитических процессов / Ин-т катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. Новосибирск, 2004. 488 с.

102

Lagos R.E., Sales B.C., Suhl H. // Surf. Sci. 1979. V. 82. P. 525.

103

Dagonnier R., Nuyts J. // J. Chem. Phys. 1976. V. 65. P. 2161.

104

Ertl G., Zeyer K.-P., Mangold M., Gilles E. D. // J. Phys. Chem. A. 2001. V. 105. P. 7216.

105

Lagos R.E., Simões T., Godoy A.L. // Physica A. 1998. V. 257. P. 401.

106

Petrov L., Vladov Ch., Eliyas A. et al. // J. Mol. Catal. 1989. V. 54. 237.

107

Marwaha B., Luss D. // Chem. Eng. Sci. 2003. V. 58. P. 733.

108

Marwaha B., Sundarram S., Luss D. // Chem. Eng. Sci. 2004. V. 59. P. 5569.

109

Sundarram S., Luss D. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. P. 1485.

110

Luss D., Sheintuch M. // Catal. Today. 2005. V. 105. P. 254.

111

Stavarek. P., Vajglova Z., Kristal J., Jiricny V., Kolena J. // Catal. Today. 2015. V. 256. P. 250.

112

Kim J., Byeon J., Seo I.G. et al. // Korean J. Chem. Eng. 2013. V. 30. P. 790.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.