Buy (625 RUB)
|Generate QR code
Open Access
Subscription or Fee Access
Special Aspects of Investigation and Implementation of Exothermic Reactions over Heterogeneous Catalysts
https://doi.org/10.18412/1816-0387-2017-4-266-277
Abstract
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.
About the Author
M. A. Kipnis
Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Moscow
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967. 492 с.
2. Сеттерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа. М.: Мир, 1984. 520 с.
3. Махлин В.А. // Теоретические основы химической технологии. 2009. Т. 43. С. 261—275.
4. Kiwi-Minsker L., Ruta M., Eslanloo-Pereira T., Bromley B. // Chem. Eng. Proc. 2010. V. 49. P. 973.
5. Hayer F., Bakhtiary-Davijany H., Myrstad R., Holmen A., Pfeifer P., Venvik H.J. // Chem. Eng. J. 2011. V. 167. P. 610.
6. Hayer F., Bakhtiary-Davijany H., Myrstad R., Holmen A., Pfeifer P., Venvik H.J. // Top. Catal. 2011. V. 54. P. 817.
7. Yu X., Li H., Tu S.-T., Yan J., Wang Z. // Int. J. Hydrogen energy. 2011. V. 36. P. 3778.
8. Kikas T., Bardenshteyn I., Williamson C., Ejimofor C., Puri P., Fedorov A.G. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 6273.
9. Vakili R., Pourazadi E., Setoodeh P., Eslamloueyan R., Rahimpour M.R. // Appl. Energ. 2011. V. 88. P. 1211.
10. Vakili R., Setoodeh P., Pourazadi E., Iranshahi D., Rahimpour M.R. // Chem. Eng. J. 2011. V. 168. P. 321.
11. Rahimpour M.R., Farniaei M., Abbasi M., Javanmardi J., Kabiri S. // Energ. Fuel. 2013. V. 27. P. 1982.
12. Wang T., Wang J., Jin Y. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. P. 5824.
13. Матрос Ю.Ш. Каталитические процессы в нестационарных условиях. Новосибирск: Наука, 1987. 229 с.
14. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. М.: Наука, 1988. 304 с.
15. Unsteady state processes in catalysis: proc. int. conf. 5-8 june
16. , Novosibirsk, USSR. Ed. Yu. Sh. Matros. — Utrecht: VSP. — III.
17. Han D.H., Park O.O., Kim Y.G. // Appl. Catal. A. Gen. 1992. V. 86. P. 71.
18. Bos A.N.R., Hof E., Kuper W., Westerterp K.R. // Chem. Eng. Sci. 1993. V. 48. P. 1959.
19. 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.
20. Каган Ю.Б., Пономаренко А.Т., Розовский А.Я., Локтев С.М., Башкиров А.Н. // Нефтехимия. 1965. Т. 5. С. 82.
21. Каган Ю.Б., Пономаренко А.Т., Розовский А.Я. // Кинетика и катализ. 1966. Т. 7. С. 679.
22. Кипнис М.А., Самохин П. В., Волнина Э. А. // Кинетика и катализ. 2013. T. 54. C. 235.
23. Amin A., Abedi A., Hayes R., Votsmeier M., Epling W. // Appl. Catal. A: Gen. 2014. V. 478. P. 91.
24. Kipnis M.A., Volnina E.A. // Appl. Catal. B. Env. 2011. V. 103. P. 39.
25. Kipnis M.A., Volnina E.A. // Appl. Catal. B. Env. 2010. V. 98. P. 193.
26. Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А., Лин Г.И., Самохин П.В. // Кинетика и катализ. 2007. Т. 48. С. 750.
27. Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А. и др. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. С. 718.
28. Кипнис М.А., Волнина Э.А. // Кинетика и катализ. 2010. Т. 51. С. 295.
29. Кипнис М.А., Волнина Э.А., Ежов А.А., Иванов В.К. // Кинетика и катализ. 2013. T. 54. C. 373.
30. Kipnis M. // Appl. Catal. B: Env. 2014. V. 152—153. P. 38.
31. Carlsson P.-A., Skoglundh M., Thormählen P., Andersson B. // Top. Catal. 2004. V. 30/31. P. 375.
32. Saramat A., Thormählen P., Skoglundh M., Attard G.S., Palmqvist A.E.C. // J. Catal. 2008. V. 253. P. 253.
33. Arnby K., Assiks J., Carlsson P.-A., Palmqvist A., Skoglundh M. // J. Catal. 2005. V. 233. P. 176.
34. Abedi A., Hayes R., Votsmeier M., Epling W.S. // Catal. Lett. 2012. V. 142. P. 930.
35. Carlsson P.-A., Skoglundh M. //Appl. Catal. B: Env. 2011. V. 101. P. 669.
36. Bos A.N.R., Van de Beld L., Overkamp J.B., Westerterp K.R. // Chem. Eng. Comm. 1993. V. 121. P. 27.
37. S. Heinrich, F. Edeling, C. Liebner, H. Hieronymus, T. Lange, E. Klemm // Chem. Eng. Science. 2012. V. 84. P. 540.
38. Drewsen A., Ljungqvist A., Skoglundh M., Andersson B. // Chem. Eng. Sci. 2000. V. 55. P. 4939.
39. Cunningham D.A.H., Kobayashi T., Kamijo N., Haruta M. // Catal. Lett. 1994. V. 25. P. 257.
40. Fujitani T., Nakamura I. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2011. V. 50. P. 10144.
41. Розовский А.Я. Гетерогенные химические реакции. Кинетика и макрокинетика. М.: Наука, 1980. 323 с.
42. Kiewidt L., Thöming J. // Chem. Eng. Sci. 2015. V. 132. P. 59.
43. Rönsch S., Schneider J., Matthischke S. et al. // Fuel. 2016. V. 166. P. 276.
44. Pinkerton B., Luss D. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. P. 1898.
45. Sun M., Croiset E.B., Hudgins R.R., Silveston P.L., Menzinger M. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 37.
46. Nilsen O., Kjekshus A., Fjellvåg H. // Appl. Catal. A: Gen. 2001. V. 207. P. 43.
47. Pontzen F., Liebner W., Gronemann V., Rothaemel M., Ahlers B. // Catal. Today. 2011. V. 171. P. 242.
48. Viswanathan G.A., Sheintuch M., Luss D. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 7509.
49. Боресков Г.К., Слинько М.Г. // Химическая промышленность. 1960. № 3. С. 17.
50. Dybkjaer I. In book «Ammonia: Catalysis and Manufacture». 1995. by A. Nielsen (Ed.)
51. Hirotani K., Nakamura H., Shoji K. // Catal. Surveys from Japan. 1998. V. 2. P. 99.
52. Tijm P.J.A., Waller F.J., Brown D.M. // Appl. Catal. A: Gen. 2001. V. 221. P. 275.
53. Jahanmiri A., Eslamloueyan R. // Chem. Eng. Comm. 2002. V. 189. P. 713.
54. Abrol S., Hilton C.M. // Comput. Chem. Eng. 2012. V. 40. P. 117.
55. Farsi M., Eslamloueyan R., Jahanmiri A. // Chem. Eng. Process. 2011. V. 50. P. 85.
56. Shahrokhi M., Baghmisheh G.R. // Chem. Eng. Sci. 2005. V. 60. P. 4275.
57. Aguilar R., Poznyak A., Martínez-Guerra R., Maya-Yescas R. // J. Process Control. 2002. V. 12. 695.
58. Davis B.H. // Top. Catal. 2005. V. 32. Р. 143.
59. Dry M.E. // Catal. Today. 2002. V. 71. Р. 227.
60. Pennemann H., Kolb G. // Catal. Today. 2016. V. 278. P. 3.
61. Sheng M., Yang H., Cahela D.R., Tatarchuk B.J. // J. Catal. 2011. V. 281. P. 254.
62. Visconti C.G., Groppi G., Tronconi E. // Catal. Today. 2016. V. 273. P. 178.
63. Tronconi E., Groppi G., Visconti C.G. // Curr. Opin. Chem. Eng. 2014. V. 5. P. 55.
64. Gräf I., Rühl A.-K., Kraushaar-Czarnetzki B. // Chem. Eng. J. 2014. V. 244. P. 234.
65. Baronskaya N.A., Minyukova T.P., Sipatrov A.G. et al. // Chem. Eng. J. 2007. V. 134. P. 195.
66. Odunsi A.O., O’Donovan T.S., Reay D.A. // Appl. Thermal Eng. 2016. V. 93. P. 1377.
67. Rozovskii A.Ya., Lin G.I., Kipnis M.A. et al. // Top. Catal. 2007. V. 42—43. P. 437.
68. Розовский А.Я., Кипнис М.А., Волнина Э.А., Самохин П.В., Лин Г.И. // Кинетика и катализ. 2008. Т. 49. C. 99.
69. Yarulina I., Kapteijn F., Gascon J. // Catal. Sci. Technol. 2016. V. 6. P. 5320.
70. Sørensen M.D.P. // Chem. Eng. Sci. 2014. V. 106. P. 126.
71. Horn R., Williams K.A., Degenstein N.J. et al. // J. Catal. 2007. V. 249. P. 380.
72. Wang M., Weng W., Zheng H. et al. // J. Nat. Gas Chem. 2009. V. 18. P. 300.
73. Bi Y., Lu G. // Appl. Catal. B: Env. 2003. V. 41. P. 279.
74. Beck I.E., Kriventsov V.V., Novgorodov B.N. et al. // Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2009. V. 603. P. 178.
75. Salomonsson P., Johansson S., Kasemo B. // Catal. Let. 1995. V. 33. P. 1.
76. Шутилов А.А., Зенковец Г.А., Пахаруков И.Ю., Просвирин И.П. // Кинетика и катализ. 2014. Т. 55. С. 115.
77. Carabineiro S.A.C., Nieuwenhuys B.E. // Surf. Sci. 2002. V. 505. P. 163.
78. Wang J.B., Lin S.-C., Huang T.-J. // Appl. Catal. A: Gen. 2002. V. 232. P. 107.
79. Manzoli M., Monte R.D., Boccuzzi F., Coluccia S., Kašpar J. // Appl. Catal. B: Env. 2005. V. 61. P. 192.
80. Subbotin A.N., Subbotina I.R., Golosman E.Z. // Mendeleev Commun. 2015. V. 25. P. 216.
81. Furusawa T., Kunii D. // J. Chem. Eng. Japan. 1971. V. 4. Р. 274.
82. Veser G., Frauhammer J., Schmidt L.D., Eigenberger G. // Stud. Surf. Sci. Catal. 1997. V. 109. P. 273.
83. 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.
84. Kolodziecjczyk M., Colen R.E.R., Berdau M., Delmon B., Block J.H. // Surf. Sci. 1997. V. 375. P. 235.
85. Jaree A., Hudgins R.R., Budman H.M. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. P. 1662.
86. Schüth F., Henry B.E., Schmidt L.D. // Adv. Catal. 1993. V. 39. P. 51.
87. Филд Р., Бургер М. Колебания и бегущие волны в химических системах / Под ред. А.М. Жаботинского. М.: Мир, 1988. 720 с.
88. Catal. Today. 2005. V. 105. I—II.
89. Imbihl R. // Surf. Sci. 2009. V. 603. P. 1671.
90. Слинько М.М., Слинько М.Г. // Кинетика и катализ. 1982. T. 23. C. 1421.
91. Ertl G., in book «Handbook of Heterogeneous Catalysis». 2008. V. 3. Р. 1462.
92. Ertl G. // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. V. 47. P. 3524.
93. Slinko M.M., Korchak V.N., Peskov N.V. // Appl. Catal. A: Gen. 2006. V. 303. P. 258.
94. Slinko M.M. // Catal. Today. 2010. V. 154. P. 38.
95. Слинько М.М. // Кинетика и катализ. 1995. Т. 36. С. 930.
96. Cordonier G.A., Schüth F., Schmidt L.D. // J. Chem. Phys. 1989. V. 91. P. 5374.
97. Beusch H., Fieguth P., Wicke E. // Chem.-Ing.-Tech. 1972. V. 44. P. 445.
98. Wicke E. // Chem.-Ing.-Tech. 1974. V. 46. P. 365.
99. 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.
Review
For citations:
Kipnis M.A. Special Aspects of Investigation and Implementation of Exothermic Reactions over Heterogeneous Catalysts. Kataliz v promyshlennosti. 2017;17(4):266-277. (In Russ.) https://doi.org/10.18412/1816-0387-2017-4-266-277
Views:
921
Email this article 