МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической
работе профессор Е.Г. Елина
___________________________
"____" _____________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Современные катализаторы в нефтеперерабатывающей
промышленности
Направление подготовки 240100 – Химическая технология
Профиль подготовки - Химическая технология природных
энергоносителей и углеродных материалов
Квалификация (степень) выпускника «Магистр»
Форма обучения очная
Саратов, 2011 год
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Современные катализаторы в
нефтеперерабатывающей промышленности» являются:
 развитие у студентов личностных качеств, формирование
общекультурных и профессиональных компетенций в соответствии с
требованиями ФГОС ВПО по данному направлению подготовки;
 формирование способностей к приобретению новых знаний в области
промышленного катализа и технологии катализаторов;
 вырабатывание
способности
и
готовности
осуществлять
технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать
технические средства для измерения основных параметров технологического
процесса, свойств сырья и продукции;
 знакомство с теоретическими основами катализа, на использовании
которого
базируются
многие
крупномасштабные
нефтеи
газоперерабатывающие, органические и неорганические производства
химической промышленности;
 ознакомление
студентов
с
существующими
производствами
катализаторов;
 изучение современных технологий приготовления катализаторов и
рассмотрение каталитических процессов в промышленности;
 понимание роли охраны окружающей среды и рационального
природопользования для развития и сохранения цивилизации;
 приобретение основ общепрофессиональных и специальных
профессиональных знаний, позволяющих выпускнику успешно работать и
развиваться в своей профессиональной области и быть активным членом
общества;
 повышение культурного уровня и формирование социальноличностных качеств обучающихся: целеустремленности, организованности,
трудолюбия, ответственности, гражданственности, коммуникабельности,
толерантности.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Современные катализаторы в нефтеперерабатывающей
промышленности» относится к вариативной части профессионального цикла
ООП по направлению 240100 – Химическая технология.
Обучение базируется главным образом на знаниях, полученных
студентами в процессе изучения следующих курсов:
общенаучный цикл:
 теоретические и экспериментальные методы в инженерной
химии;
 современные проблемы химической технологии
 развитие топливно-энергетического комплекса России
профессиональный цикл:
 процессы массопереноса в системах с участием твердой фазы;
 технология переработки твердых горючих ископаемых;
 химическая технология переработки углеводородных газов.
3
Рассматриваемая дисциплина неразрывно связана с дисциплинами
«Альтернативные моторные топлива» и «Современные проблемы химической
технологии», дает возможность расширения знаний, умений и навыков,
определяемых содержанием базовых (обязательных) дисциплин и позволяет
студенту получить углубленные знания и навыки для успешной
профессиональной
деятельности
и
(или)
для
продолжения
профессионального образования в аспирантуре.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения
дисциплины
«Современные
катализаторы
в
нефтеперерабатывающей промышленности»
В результате изучения дисциплины студент должен обладать
следующими общекультурными (ОК) и профессиональными компетенциями
(ПК):
• способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и
общекультурный уровень, получать знания в области современных
проблем науки, техники и технологии, гуманитарных, социальных и
экономических наук (ОК- 1);
• способен самостоятельно приобретать с помощью информационных
технологий и использовать в практической деятельности новые знания
и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности (ОК- 6);
• способен
к
профессиональной
эксплуатации
современного
оборудования и приборов в соответствии с направлением и профилем
подготовки (ПК- 1);
• способен оценивать эффективность и внедрять в производство новые
технологии (ПК-7);
• готов к организации работы коллектива исполнителей, принятию
исполнительских решений в условиях спектра мнений, определению
порядка выполнения работ (ПК-9);
• способен и готов организовывать самостоятельную и коллективную
научно-исследовательскую работу, разрабатывать планы и программы
проведения научных исследований и технических разработок,
разрабатывать задания для исполнителей (ПК-14);
• готов к поиску, обработке, анализу и систематизации научнотехнической информации по теме исследования, выбору методик и
средств решения задачи (ПК-15).
• способен использовать современные приборы и методики,
организовывать проведение экспериментов и испытаний, проводить их
обработку и анализировать их результаты (ПК-16).
• способен и готов к созданию новых экспериментальных установок для
проведения лабораторных практикумов (ПК-22);
• готов к разработке учебно-методической документации для проведения
учебного процесса (ПК-23).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
4
основы химической кинетики и иметь представления о природе
катализа, его закономерностях,
теории гомогенного, гетерогенного, металлокомплексного катализа;
классификацию катализаторов и каталитических процессов;
суть каталитического действия;
требования, предъявляемые к современным катализаторам;
кинетику гетерогенно-каталитических реакций в потоке,
принципы приготовления активных катализаторов методами пропитки
носителя активным компонентом, осаждением гидроксидов, смешением
исходных веществ, стадии формования и термообработки катализатора.
•Уметь:
работать на лабораторных установках проточного и импульсного типа;
рассчитывать каталитическую активность,
рассчитывать селективность реакций;
пользоваться микрошприцем;
пользоваться программой статистической обработки данных;
анализировать и рассчитывать хроматограммы;
работать в коллективе, в команде.
•Владеть
навыками работы с информацией в глобальных компьютерных сетях,
систематизировать и анализировать полученную информацию,
навыками работы с программным обеспечением Office 2010 (Word
2010, Excel 2010, PowerPoint 2010) для представления результатов своей
работы в виде мультимедийной презентации.
навыками физико-химического анализа и опытом осуществления
основных технологических процессов на лабораторных установках, для
выполнения научно-исследовательских и практических работ.
Полученные в результате изучения данной дисциплины знания и навыки
найдут применение в ходе изучения дисциплины «Получение синтетического
жидкого топлива» и при подготовке выпускной квалификационной работы.
5
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 144 часов, 4 зачетных единиц.
№
п/п
Раздел дисциплины
С
е
м
е
с
т
р
Не
де
ля
се
ме
ст
ра
1.
Основные понятия в катализе.
11
1
0,5
-
4
2
2.
3.
Кинетика каталитических реакций.
Адсорбция как необходимая стадия
гетерогенного катализа.
Причины каталитического действия.
Проблема создания общей теории катализа.
Теории катализа и их анализ.
Мультиплетная теория катализа Баландина.
Теория ансамблей Кобозева.
Радикально-цепная теория гетерогенного
катализа.
Теория недостроенных оболочек для
переходных металлов.
Катализ на металлах и полупроводниках.
Кислотно-основной катализ.
11
2
0,5
-
4
2
Формы
текущего
контроля
успеваемо
сти (по
неделям
семестра)
Формы
промежут
очной
аттестаци
и (по
семестра
м)
Входной
контроль.
Тестирова
ние
-
11
3
0,5
-
4
2
-
11
4
0,5
-
4
2
-
11
5
0,5
-
4
2
-
11
6
0,5
-
4
2
-
11
7
0,5
-
4
2
-
11
8
0,5
-
4
2
-
11
9
0,5
-
4
2
-
11
10
0,5
-
4
2
-
11
11
0,5
-
4
6
Основы металлокомплексного катализа.
Принципы приготовления активных
катализаторов.
Отравление катализаторов
Каталитические процессы нефтепереработки
Методы
определения
активности
катализаторов.
Определение физических характеристик
катализаторов
Методы
получения
и
производство
катализаторов
11
12
0,5
-
4
2
Текущий
контроль.
Тестирова
ние.
-
11
13
1
-
4
4
-
11
14
1
-
4
2
-
11
15
1
-
4
4
-
11
16
1
-
4
2
-
11
17
1
-
4
5
-
11
18
1
-
4
6
-
72
51
Итоговое
тестирован
ие.
Зачет
9
144
4.
5.
6.
7.
8.
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Итого часов:
Итого:
Виды учебной
работы, включая
самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в
часах)
лек С л
срс
ции е аб
м.
.
з.
р
аб
.
12
6
4.1. Содержание лекционного курса
Тема 1. Общие положения катализа
Основные определения. К истории катализа. Классификация каталитических
процессов и катализаторов по механизму и подбор катализаторов. Катализ и
термодинамика.
Тема 2. Адсорбция
Основные стадии катализа. Физическая адсорбция. Определение удельной
поверхности дисперсных тел. Определение пористости. Химическая
адсорбция (хемосорбция). Адсорбция на неоднородной поверхности.
Десорбция.
Тема 3. Кинетика каталитических реакций
Определение активности селективности, элементарного акта. Методы
измерения каталитической активности. Стационарный и квазистационарный
режимы катализа. Ленгмюровская кинетика каталитических реакций.
Кинетика сложных каталитических реакций по М.И Тёмкину. Диффузионная
кинетика.
Каталитические
реакции
в
нестационарном
режиме.
Диссипативные структуры в катализе. Промежуточные соединения в
гомогенном катализе. Применение физических методов in situ.
Тема 4. Кинетика и механизм элементарных актов нa поверхности
Теория абсолютных скоростей и ее применение к катализу. Методы
исследования переноса энергии в элементарном каталитическом акте. Обмен
энергией при взаимодействии газа с поверхностью. Прекурсор и
поверхностная диффузия. Электронная теория катализа на полупроводниках.
Цепные эффекты в катализе. Фазовые превращения в катализе и структура
поверхности.
Тема 5. Приготовление и функционирование катализаторов
Основные требования к промышленному катализатору. Пористая структура
катализаторов. Методы приготовления катализаторов. Форма и размер
гранул катализаторов. Механическая прочность катализаторов. Дезактивация
катализаторов.
Тема 6. Кислотно-основной катализ
Кислоты и основания. Методы определения кислотных и основных центров
на поверхности. Кислотные и основные катализаторы и их активные центры.
Цеолиты и другие молекулярные сита. Сверхкислоты и сверхоснования.
Дегидратация спиртов. Превращение метанола в углеводороды.
Тема 7. Катализ соединениями переходных металлов
Строение комплексов переходных металлов. Экспериментальные методы
исследования атомов переходных металлов в оксидах. Применение теории
кристаллического поля и теории поля лигандов к явлениям адсорбции и
катализа. Поверхность оксидов переходных металлов. Иммобилизованные
комплексы переходных металлов. Каталитическая полимеризация олефинов.
Реакции с участием координированного монооксида углерода.
Тема 8. Катализ на оксидах и каталитическое окисление
Общие характеристики каталитического окисления. Энергетические уровни
ионов переходных металлов в оксидах. Дефекты в оксидах переходных
металлов. Особенности кинетики каталитического окисления. Активация
7
кислорода
на
поверхности
оксидных
катализаторов
окисления.
Каталитическое окисление простых молекул. Парциальное окисление
олефинов и других органических соединений молекулярным кислородом.
Парциальное окисление алканов молекулярным кислородом. Парциальное
окисление
альтернативными
окислителями.
Глубокое
окисление
углеводородов. Каталитическая очистка от вредных газов.
Тема 9. Kaтaлиз на металлах и реакции с участием водорода
Электронное строение переходных металлов. Экспериментальные методы
изучения поверхности переходных металлов и адсорбции молекул на ней.
Чистая поверхность металлов. Адсорбция на переходных металлах.
Простейшие каталитические реакции на переходных металлах. Сплавы.
Нанесенные металлы. Каталитическое гидрирование. Синтез аммиака.
Тема 10. Важнейшие каталитические процессы нефтепереработки и
нефтехимии
Добыча и переработка нефти. Каталитический крекинг углеводородов.
Каталитический риформинг углеводородов. Изомеризация алканов.
Алкилирование
углеводородов.
Гидрокрекинг
углеводородов.
Гидродесульфуризация
сернистых
соединений.
Дегидрирование
углеводородов. Окислительное дегидрирование углеводородов.
Тема 11. Катализ в переработке природного газа
Добыча и свойства природного газа. Окислительная конверсия метана в
синтез газ. Синтез метанола и диметилсвого эфира. Синтез Фишера-Тропша.
Окислительная конденсация метана. Другие каталитические реакции
активации метана. Каталитическая очистка природного газа от серы.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие образовательные
технологии:
- курс лекций сопровождается мультимедийными материалами (в
программе Power Piont);
- подготовлен инновационный учебный материал для практических и
лабораторных занятий в формате видеороликов и интерактивных моделей;
проведения вычислений, с помощью программы статистической обработки
данных;
- лабораторные занятия предполагается осуществлять в форме деловых
игр, с обсуждением различных вариантов осуществления поставленных
задач, по тематике лабораторные работы будут привязаны к темам
самостоятельной
работы
и
позволят
контролировать
уровень
самостоятельной подготовки студентов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы:
 составление
опорных конспектов, различных видов таблиц
(концептуальных, сравнительных), поиск информации в сети Интернет.
 разработка проектов (индивидуальных, групповых).
8
 изучение дополнительной литературы.
 перевод и критический анализ зарубежной или отечественной
публикации по исследованию каталитических систем.
Система контроля самостоятельной работы включает:
 контрольные срезы;
 подготовку и защиту проектов с помощью мультимедийного
проектора;
 решение практических проблемных ситуаций;
 тестовые задания (приложение);
 деловая игра «Теории катализа»;
 экзамен.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Перечень лабораторных работ
Теоретический
расчет
состава
катализатора.
Приготовление
катализатора методом пропитки носителя.
Приготовление цеолитного катализатора (декатеонирование).
Модифицирование катализаторов методом ультразвуковой обработки
носителя.
Каталитическая очистка газовых выбросов от оксидов азота, углерода
(II) и метана.
Расчет количества катализатора, необходимого для обезвреживания
газа.
Каталитическая очистка газовых выбросов от органических соединений
(толуола).
Каталитическое окисление углеводородов.
Каталитическая очистка газовых выбросов от диметилформамида.
Исследование каталитической активности в процессе изомеризации
Исследование каталитической активности в процессе ароматизации
Исследование активности катализатора в процессе каталитического
крекинга углеводородов
Исследование активности катализатора в процессе риформинга
нефтяных фракций
Учебный материал, вынесенный на самостоятельную работу
студентов
Самостоятельная работа планируется в объеме 51 часа.
Основные
понятия
химической
кинетики.
Формальная
(феноменологическая) кинетика. Молекулярная (теоретическая) кинетика.
Элементарный химический акт. Механизм химической реакции.
Кинетическая схема химической реакции. Промежуточные частицы.
Устойчивые (стабильные), неустойчивые (лабильные). Реакционное
пространство (зона реакции). Определение скорости реакции. Кинетические
кривые. Кинетические уравнения. Определение константы скорости и
порядка реакции. Реакции переменного порядка и изменение порядка в ходе
реакции на примере реакции образования НВr. Молекулярность
элементарных реакций. Кинетический закон действия масс и область его
применимости. Составление кинетических уравнений для известного
9
механизма реакции. Прямая и обратная задачи химической кинетики.
Зависимость константы скорости от температуры. Уравнение Аррениуса.
"Эффективная" и "истинная" энергии активации.
Роль катализа в современной промышленности и науке. Области
катализа. Исторические стадии развития учения о катализе. Условия
осуществления каталитических реакций. Термодинамические условия
протекания реакций.
Влияние катализатора на кинетические условия реакций. Основной
принцип химической кинетики. Структурные и энергетические условия
реакции. Элементарные стадии реакции. Потенциальный барьер и способы
его преодоления. Энергия активации. Кинетика сложных реакций.
Классификация реакций. Стехиометрический и кинетический порядок
каталитических реакций. Константа скорости. Изменение кинетических
параметров при действии катализаторов. Адсорбция как необходимая стадия
гетерогенного катализа. Изотерма адсорбции Ленгмюра. Адсорбционные
коэффициенты. Теплоты адсорбции. Изотермы Фрейндлиха и Темкина.
Кинетика мономолекулярных каталитических реакций на однородных и
неоднородных поверхностях.
Кинетика гетерогенно-каталитических реакций в потоке. Уравнения
Баландина, Фроста, Панченкова, уравнение Хоугена и Ветсона. Объемная
скорость. Время контакта. Относительные адсорбционные коэффициенты.
Истинные константы скорости и энергии активации. Принципы
приготовления активных катализаторов. Носители и активные фазы.
Промотирование. Компенсационный эффект в катализе. Отравление
катализаторов. Виды отравления. Способы регенерации. Способы
предотвращения отравления катализаторов. Теория действия контактных
ядов. Работы Мэкстеда, модификация катализаторов. Определение числа
активных центров из данных по отравлению катализаторов по Лебедеву.
Причины каталитического действия. Подбор катализаторов - центральная
проблема каталитической химии. Проблема создания общей теории катализа.
Теории катализа и их анализ. Физическая теория катализа. Теория
промежуточных химических соединений. Хемосорбция как промежуточная
стадия катализа. Представления о деформации молекул. Взгляды
Менделеева, Зелинского, Баландина. Мультиплетная теория катализа
Баландина. Индексы реакций. Принцип структурного соответствия. Принцип
энергетического соответствия. Энергетические уравнения мультиплетной
теории. Представления о «каталитических слоях». Связь мультиплетной
теории с новыми направлениями в катализе. Теория ансамблей Кобозева.
Модель активного ансамбля. Уравнение теорий ансамблей. Адсорбционные
катализаторы. Рекуперация энергии при катализе. Радикально-цепная теория
гетерогенного катализа Семенова, Волькенштейна и Воеводского.
Электронные теории катализа. Теория недостроенных оболочек для
переходных металлов. Зонная теория металлов. Теория полупроводников.
Катализ на металлах и полупроводниках. Кислотно-основной катализ.
Протонная и апротонная кислотность твердых катализаторов. Природа
активных центров. Представления о структуре и каталитических свойствах
10
цеолитов. Основы металлокомплексного катализа. Влияние природы
растворителя. Влияние лигандов на свойства ионов металлов.
Тема 1. Роль каталитических процессов в насыщении рынка товарами
химической промышленности. Экологические проблемы и разработка новых
катализаторов. Основные понятия и определения в катализе. Термодинамика
и энергетика каталитических процессов. Пути протекания процессов.
Классификация и выбор катализаторов. Промышленные гетерогенные
катализаторы.
Тема 2. Адсорбция. Характеристика типов адсорбции. Изотермы
физической адсорбции. Теплота адсорбции.
Тема 3. Уравнения изотерм адсорбции. Изотерма Ленгмюра.
Изотерма Фрейдлиха. Изотерма Темкина. Хемосорбция.
Тема 4. Скорости и кинетические модели каталитических
реакций. Эмпирические корреляция. Формальные кинетические модели.
Ограничения кинетических моделей и некоторые примеры их применения.
Отравление и индукционный период. Компенсация. Ложная компенсация.
Реагирующие смеси.
Тема 5. Методы получения и производство катализаторов.
Основные методы получения катализаторов. Метод осаждения. Метод
пропитки. Специальные методы приготовления катализаторов. Носители для
катализаторов. Промоторы.
Тема 6. Определение физических характеристик катализаторов.
Измерение удельной поверхности. Объем пор. Распределение пор по
размерам. Механические свойства. Инструментальные методы определения
физических катализаторов.
Тема 7. Нанесенные металлические катализаторы. Активность
металлов. Дисперсность металлов. Катализ и спекание. Коксообразование.
Отравление металлических катализаторов.
Тема 8. Кислотные и цеолитные катализаторы. Принципы
появления кислотности. Сила кислотных центров. Корреляция между
кислотностью и каталитической активностью. Цеолиты. Молекулярноситовой катализ.
Тема
9.
Каталитическое
окисление.
Окислительновосстановительный механизм. Получение серной кислоты. Окисление
аммиака. Очистка выхлопных газов. Катализаторы для удаления оксидов
азота. Каталитическое горение.
Тема 10. Получение и переработка синтез-газа и связанные с ним
процессы. Конверсия с паром. Синтез Фишера-Тропша. Конверсия
монооксида углерода с водяным паром. Синтез метанола. Синтез аммиака.
Метанирование.
1.
2.
Вопросы и упражнения для самостоятельной работы
Чем различаются определения скорости гомогенной и гетерогенной
химических реакций?
Как взаимосвязаны между собой реальные скорости образования или
расходования отдельных участников реакции
аА + bB—> rR +sS
3.
4.
5.
6.
7.
11
Что такое частный порядок реакции по компоненту J? Как
взаимосвязаны частные порядки по разным компонентам и общий
порядок реакции?
Какие реакции называют простыми, формально простыми, сложными?
Как составляют кинетические уравнения простых реакций?
Как составляют кинетические уравнения сложных реакций: а) с
известным механизмом реакции; б) с неизвестным механизмом
реакции?
Используя правило составления кинетических уравнений сложных
реакций, запишите кинетические уравнения для расчета скорости по
веществам А, В, R и М для сложной реакции
k RS
a.
А + В  
1
k2
k3 M
А + В 
8.
b.
При постоянной температуре протекают две параллельные реакции
k R
a.
А 
k S,
b. А 
характеризующиеся
значениями
констант
скорости
3 1
2 1
Перед
началом
реакции
k 1  10 c , k 2  10 c .
1
2
c
 2кмоль / м , cR,0  cS ,0  0 .
3
A, 0
Определите
химической реакции по исходному реагенту А
момент времени, когда
9.
значения
 
rA
скорости
и продукту S в
 0,05кмоль / м , c S  0,5кмоль / м .
k 3 S , при
k 1 2 R , В 
k 2 P , R 
Протекает сложная реакция А + В 
c
3
3
R
температуре, когда константы скоростей отдельных элементарных
реакций
имеют
следующие
значения:
3
1
1
k 1  0,02 м / кмоль * с , k 2  0,0015 c , k 3  0,0028 c . начальный состав
реакционной
смеси:
3
3
c A,0  0,1кмоль / м , cB,0  0,3кмоль / м , cR,0  cS ,0  cP,0  0 . В реакторе
установились
концентрации
продуктов:
3
3
c R  0,028кмоль / м , c P  0,05кмоль / м ; степень превращения исходного
реагента x A  0,2 . Определите значения скоростей химической реакции
по веществам R и P.
10. Протекает сложная реакция
k S , при температуре, когда константы
k
R 
 R ;
А 
3
1
k2
скоростей отдельных элементарных реакций имеют следующие
1
1
1
значения:
Начальная
k 1  0,0028 c , k 2  0,051c , k 3  0,0032 c .
концентрация исходного реагента
c
 1,65кмоль / м ; фактическая
3
A, 0
степень превращения исходного реагента x A составляет 30% от
равновесной степени превращения x A, e ; концентрация продукта R
c
 0,15кмоль / м . Определите значение скорости реакции по продукту
3
R
R rR .
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
12
От каких микрокинетических факторов зависит скорость химической
реакции?
В гомогенной химической реакции участвуют два реагента А и В.
Реакция имеет первый порядок по реагенту А и второй порядок по
реагенту В. Увеличение какого реагента даст больший эффект
увеличения скорости реакции?
Выведите уравнение зависимости дифференциальной селективности от
концентрации реагента А для параллельных реакций, имеющих разный
порядок по реагенту А.
Вещества А и В участвуют в двух параллельных реакциях, причем
частный порядок по реагенту А выше в целевой реакции, а частный
порядок по реагенту В выше в побочной реакции. Какие можно сделать
рекомендации по изменению концентраций реагентов для обеспечения
высокой дифференциальной селективности? Как можно эти
рекомендации выполнить при технологическом оформлении процесса?
Запишите уравнение Аррениуса в дифференциальной, интегральной и
логарифмической форме. В чем суть уравнения Аррениуса?
Определите энергию активации реакции, если при изменении
температуры с 450 до 500°С ее скорость возрастает в 2,74 раза.
При температуре 748 К константа скорости реакции составляет
3,2*105ч-1. Определите константу скорости этой реакции при
температуре 793 К, если ее энергия активации Е=87,9кДж/моль.
При проведении кинетических экспериментов определены следующие
значения константы скорости химической реакции при различных
температурах:
Т, К. . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 323 348 373 398
3
k, м / кмоль * ч  . . . . . . . . .0,51 0,82 1,35 1,92 2,62
Определите энергию активации реакции.
Для реакции n-го порядка
nА—>
Продукты
экспериментально
получена
зависимость
концентрации реагента от времени проведения реакции в
периодическом реакторе при постоянной температуре:
τ, мин . . . . . . . . . . . . . . . .0
1
2
3
4
5
3
c A , кмоль/ м . . . . . . . . . .2,00 0,96 0,63 0,47 0,39 0,31
Определите порядок реакции и вычислите константу скорости.
Почему эффективность повышения температуры как средства
относительного увеличения скорости реакции, выше при низких
температурах, чем при высоких?
Проанализируйте зависимость дифференциальной селективности для
двух параллельных реакций одинакового порядка.
Две параллельные реакции
a1 A  b1 B  rR  sS (целевая реакция)
a2 A  b2 B  yY  zZ ( побочная реакция)
характеризуются следующими кинетическими уравнениями:
13

c ,
E  45кДж / моль, Е
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
1,54
B
 k1c A
1, 5
rA, поб
c
0, 25
B
и
энергиями
активации
Проанализируйте
зависимость
дифференциальной селективности для такой системы реакций: а) от
концентрации реагента А; б) от концентрации реагента В; в) от
температуры. Какие можно дать рекомендации по выбору
технологического режима для этого процесса на основе проведенного
анализа?
Две параллельные реакции характеризуются одинаковым порядком и
различными значениями энергии активации: энергия активации
целевой реакции равна 84 кДж/моль, энергия активации побочной
реакции – 45 кДж/моль. Как повлияет увеличение температуры на
дифференциальную селективность? Во сколько раз изменится
дифференциальная селективность  при увеличении температуры
проведения реакции со 100 до 500°С?
В чем заключается главная кинетическая особенность гетерогенных
химических процессов?
Какой смысл вкладывается в понятия «кинетическая область
гетерогенного процесса», «диффузионная область»?
Как увеличить коэффициент массопередачи на стадии внешней
диффузии?
Сформулируйте основные свойства лимитирующей стадии.
Как определить лимитирующую стадию гетерогенного процесса,
экспериментально изучая влияние температуры на скорость
образования продуктов в ходе этого процесса?
Как определить лимитирующую стадию гетерогенного процесса в
системе «газ – твердое тело», используя теоретические зависимости
между временем пребывания в реакторе и степенью превращения
твердой фазы для различных областей протекания гетерогенного
процесса?
Какие вещества называются катализаторами?
В чем заключается природа действия катализаторов?
Может ли катализатор сместить равновесие химической реакции?
Перечислите основные технологические характеристики твердых
катализаторов и дайте их определения.
Какие отрицательные последствия может вызвать протекание
каталитической
реакции
на
твердом
катализаторе
во
внешнедиффузионной области?
Почему кажущаяся энергия активации каталитической реакции, как
правило, ниже истинной энергии активации?
1
23.
 k1c A
0,8
rA, цел
2
 65кДж / моль .
Вопросы к курсу
1.
Общие понятия о катализе и катализаторах. Классификация
каталитических реакций и катализаторов. Основные характеристики
катализаторов.
2.
Расскажите в чем суть теорий катализа? Назовите основные положения
теорий катализа.
14
3.
Как влияет катализатор на энергию активации и скорость реакции?
Адсорбция и хемосорбция в гетерогенном катализе и методы их
исследования.
4.
Стадии гетерогенного катализа. Влияние внешней и внутренней
диффузии на скорость реакций.
5.
Градиент температуры внутри гранул катализатора. Формальные
кинетические модели каталитических реакций.
6.
Кислотный катализ. Кислотные центры и их участие в реакциях.
7.
Карбкатионы. Их образование, свойства. Типы катализируемых
реакций.
8.
Окислительно-восстановительный катализ. Катализ на металлах и
полупроводниках. Активность и дисперсность металлов.
9.
Металлические катализаторы. Теория валентной связи. Зонные модели.
10. Координационно-комплексный
катализ.
Бифункциональные
катализаторы и природа их действия.
11. Промышленные гетерогенные катализаторы и их характеристики.
Понятие об активном комплексе и матрице. Промотирование катализаторов.
12. Классификация промышленных катализаторов и их применение в
нефте- и газопереработке. Дезактивация катализаторов. Регенерация
катализаторов.
13. Методы определения основных характеристик твердых катализаторов.
14. Краткая характеристика активной окиси алюминия, активных углей и
аморфных алюмосиликатов.
15. Цеолиты, цеолитсодержащие катализаторы, их строение, химический
состав, свойства.
16. Оксидные катализаторы и катализируемые ими реакции.
17. Бифункциональные
катализаторы.
Используемые
носители,
промоторы, катализируемые реакции.
18. Синтез и производство аморфных алюмосиликатов.
19. Синтез и производство активной окиси алюминия.
20. Синтез и производство цеолитов и цеолитсодержащих катализаторов.
21. Технология получения бифункциональных катализаторов.
22. Важнейшие каталитические реакции и катализаторы. Природа действия
катализаторов.
23. Применение физической адсорбции для определения величины
поверхности катализаторов.
24. Требования, предъявляемые к катализаторам.
25. Весовой, объемный и динамический методы определения удельной
поверхности катализатора.
26. Синтез катализаторов, носителей и адсорбентов, основанный на
осаждении.
27. Основные методы определения пористости катализаторов.
28. Приготовление катализаторов методом механического смешения
компонентов.
29. Ртутная порометрия.
30. Механизм взаимодействия между частицами твердых веществ при
приготовлении катализаторов.
15
31. Определение активности катализаторов.
32. Общие закономерности и индивидуальные особенности формирования
гидроксидов металлов. Основные носители, используемые в катализе.
33. Адсорбционный метод определения радиуса пор катализаторов.
34. Методы приготовления катализаторов нанесением.
35. Изучение кислотных и основных свойств катализаторов.
36. Пропиточные и сорбционные катализаторы. Влияние природы
исходного соединения и носителя на активность катализаторов.
37. Методы определения концентрации, силы и типов кислотных центров
катализаторов.
38. Плавленные и скелетные контактные массы. Цеолитные катализаторы.
39. Проточный, импульсный и безградиентный проточно-циркуляционный
метод определения активности катализаторов.
40. Характеристики и способы производства важнейших носителей.
41. Классификация изотермы адсорбции. Метод БЭТ.
42. Получение и свойства катализаторов очистки газов. Основные
требования к катализаторам газоочистки. Общие сведения.
43. Оксидные катализаторы. Нанесенные оксидные катализаторы.
Сложные многокомпонентные оксидные катализаторы регулярного строения.
Нанесенные металлические и смешанные катализаторы.
44. Катализаторы на металлических носителях. Катализаторы на пористых
монолитных керамических
носителях. Катализаторы на волокнистых
носителях.
45. Катализаторы глубокого окисления органических соединений. Влияние
строения органических соединений.
46. Окисление предельных углеводородов.
47. Окисление ароматических углеводородов.
48. Окисление смесей углеводородов с другими соединениями. Окисление
непредельных соединений.
49. Окисление кислородсодержащих органических соединений (спиртов,
кетонов, альдегидов и ангидридов кислот).
50. Окисление органических соединений, содержащих гетероатомы (азот-,
хлор- и фосфорсодержащих).
51. Влияние ядов на процессы очистки промышленных газов.
52. Катализаторы очистки газов от оксидов азота и углерода.
53. Очистка от оксидов азота (восстановление метаном).
54. Очистка от оксидов азота водородом.
55. Очистка от оксидов азота оксидом углерода.
56. Очистка от оксидов азота аммиаком.
57. Очистка от оксида углерода.
58. Физико-химические методы исследования катализаторов (ИКспектроскопия).
59. Влияние состояния поверхности катализаторов на их активность в
процессах обезвреживания газов.
60. Физико-химические методы исследования катализаторов (электронная
микроскопия).
16
методы
61. Физико-химические
исследования
катализаторов
(рентгенофазовый анализ).
62. Физико-химические методы исследования катализаторов (массспектрометрия).
63. Физико-химические методы исследования катализаторов (ртутная
порометрия).
64. Физико-химические
методы
исследования
катализаторов
(газожидкостная хроматография).
65. Физико-химические
методы
исследования
катализаторов
(термопрограммированная десорбция).
66. Методы снижения количества вредных веществ в выхлопных газах
(каталитический, термический, термокаталитический).
67. Методы снижения количества вредных веществ в выхлопных газах
(сорбционный и сорбционнокаталитический методы).
68. Кинетические аспекты селективности. Выражение селективности.
Влияние разных факторов на селективность.
69. Основные методы приготовления катализаторов.
70. Проблемы макрокинетики в катализе. Процессы переноса в
каталитических реакциях.
71. Ограничения в применении каталитического метода обезвреживания
газов.
72. Каталитические яды.
73. Использование
новых
методов
анализа
для
исследования
каталитических характеристик.
74. Расчет количества катализатора, необходимого для обезвреживания
газа.
75. Факторы,
влияющие
на
глубину
каталитической
очистки
промышленных газовых выбросов.
76. Катализаторы газоочистки и требования, предъявляемые к ним.
77. Промышленная очистка газов.
78. Предельно допустимые концентрации химических веществ в
окружающей среде.
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины «Современные катализаторы в нефтеперерабатывающей
промышленности»
а)
основная литература:
1. Чоркендорф Иб. Современный катализ и химическая кинетика [Текст]/
И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт ; пер. с англ. В. И. Ролдугина. Долгопрудный : Интеллект, 2010. - 500 с.
2. Ахметов C.A. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа,
«Гилем», 2002, 672 с.
3. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. М.: Академкнига, 2004. - 679 с.
б) дополнительная литература:
1. Потехин В.М., Потехин В.В. Основы теории химических процессов
органических веществ и нефтепереработки. СПб. Химиздат, 2005.- 912 с.
17
2. Байрамов В.М. Основы химической кинетики и катализа [Текст] : учеб.
пособие для студентов хим. фак. ун-тов, обучающихся по специальности
011000 "Химия" и направлению 510500 "Химия" / В. М. Байрамов ; - М. :
Академия, 2003. – 251 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Для самостоятельной работы по химии студентам рекомендуются
следующие Интернет-ресурсы:
1. http://www.fptl.ru/Chem block.html – различные учебно-методические
материалы по химии;
2. http://chemistry-chemists.com/Uchebniki.html - учебники, практикумы и
справочники по химии.
3. http://www.xumuk.ru/, http://www.nehudlit.ru/books/subcat281.html
4. Нефтегазовое дело, http://www.ngdelo.ru/
5. Нефтяное хозяйство, http://www.oil-industry.ru/
6. Бурение и нефть, http://www.burneft.ru
7. http://www.twirpx.com/file/49542/; http://www.fptl.ru/Chem block.html учебно-методические материалы по химии
8. http://chemistry-chemists.com/Uchebniki.html - учебники, практикумы и
справочники по химии
9. Известия Томского политехнического университета, http://www.tpu.ru/
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лекции – иллюстративный материал (слайды по разделам дисциплины
представляются с помощью мультимедийного проектора).

Семинарские/практические занятия – компьютеры для проведения
вычислений, программа статистической обработки данных.

Лабораторные работы - приборы и оборудование для приготовления и
исследования активности катализаторов: весы аналитические, набор гирь,
часовое стекло, сита 0,1; 0,2; 0,3; ступка, газовые горелки, микрошприц,
хроматографы, лабораторные установки проточного и импульсного типа.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки магистров по направлению 240100 «Химическая технология»
Автор Иванова Ю.В.
Программа одобрена на заседании кафедры химической технологии нефти и
газа от 18 марта 2011 года, протокол № 8.
Подписи:
Зав. кафедрой
Директор Института химии
д.х.н., профессор Кузьмина Р.И.
д.х.н., профессор Федотова О.В.