Предлагаемая вниманию читателей книга представляет учебное пособие по гетерогенному катализу. После продолжительного периода, когда из-за отсутствия более современных пособий изучающим катализ приходилось пользоваться прекрасными, но во многом устаревшими книгами Райдила и Тейлора *, Шваба 2 и Мэкстеда 3, за последнее десятилетие появился ряд отечественных и переводных монографий. Это вполне современные пособия, обобщающие достижения в определенных областях катализа.
Читателю, несомненно, известны книги Долгова 4, Панченкова и Лебедева 5, Баландина в, Кипермана 7, Иоффе и Племена 8, а также переводные труды Трепнела 9, Жермена 10, Ашмора и. Отметим, что наиболее полно все области катализа охвачены в книге Ашмора: в ней равное внимание уделено гомогенному, гетерогенному и цепному катализу.
На первый взгляд могло бы показаться, что на данном этапе нет необходимости в еще одном пособии по гетерогенному катализу, однако это не так. Все перечисленные выше книги в основном посвящены теоретическим и методическим вопросам катализа и обобщению накопленного экспериментального материала. Крайне важные для практического применения катализа вопросы массо- и теплопереноса, принципы и основы проектирования аппаратуры для каталитических процессов, имеющие собственную теоретическую базу, и элементы технологии каталитических производств в этих книгах, за исключением книги Иоффе и Писмена, почти не освещаются.
Авторы данной книги поставили своей задачей заполнить этот пробел, и книга, по существу, является первой монографией, в которой рассмотрены теоретические, методические, феноменологические и прикладные вопросы гетерогенного катализа. В этом и заключается ее главная особенность и этим, фигурально выражаясь, обосновывается ее «право на существование» среди других пособий. Методическая задача книги состоит в показе того, как получаются экспериментальные результаты, обобщаемые теориями, и в привлечении внимания к вопросам, с которыми сталкиваются инженер и исследователь при перенесении каталитических процессов в промышленность.
Поэтому авторы охватывают все стадии прикладного гетерогенного катализа — от лабораторного эксперимента до завершающих стадий, т. е. конструирования промышленных реакторов, и это делает книгу вполне оригинальной. Она поможет в деле подготовки специалистов по гетерогенному катализу. На современном этапе его развития это очень существенно, так как создание новых и усовершенствование известных процессов теперь требует от авторов участия на всех стадиях. Поэтому важно, чтобы они имели представления и сведения и из тех областей, которые впервые рассматриваются здесь, и умели в них ориентироваться.
Книга не свободна от некоторых недостатков. Так, например, в ней сохраняется характерная для иностранных изданий диспропорция в использовании и цитировании зарубежных и советских источников. Имеются случаи неполного освещения теорий: например, в гл. 6 изложен только геометрический принцип мультиплетной теории, а об энергетическом даже не упоминается. Некоторые разделы (особенно гл. 1) изложены очень конспективно. Определения понятий «катализ» и «катализатор» даны в очень примитивной форме, которая не может удовлетворить читателя, несмотря на то что в дальнейшем изложении их содержание раскрывается по существу. Однако некоторые недостатки книги значительно перекрываются тем, что она освещает проблему гетерогенного катализа более всесторонне, чем любая другая из упомянутых выше монографий.
Ценна большая библиография книги — около 1200 литературных ссылок. Удачны и наглядны многочисленные иллюстрации — схемы, графики и фотографии. В книге кратко описаны все основные современные физические и физикохимические методы исследования адсорбции и катализа, включая методы радиоспектроскопии — ЭПР и ЯМР. Она не перегружена математическим аппаратом и поэтому доступна широкому кругу читателей. Книга, несомненно, будет полезной всем специализирующимся и работающим в области гетерогенного катализа.
А. Рубинштейн
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Краткость — душ$ острого ума — может фактически превратиться в источник ошибок. Обосновывая эту мысль, Альдоус Хаксли утверждал, что стремление кратко изложить трудный и сложный вопрос очень опасно. Сокращенное и упрощенное изложение способствует пониманию предмета, однако во многих случаях оно может привести и к неправильным представлениям, основанным на предвзятом изложении автором, кратко освещающим предмет, вместо того чтобы дать «представления, отражающие многообразную реальную действительность, из которой этот автор сделал произвольные выборки».
Мы надеемся, что эти соображения поясняют, почему мы написали очень длинную книгу. Однако они совсем не дают ответа на вопрос, почему мы решили, что необходима еще одна книга по гетерогенному катализу. Причины, побудившие нас написать ее, заключаются в следующем.
Как преподаватели и как исследователи в области химии поверхности и химической технологии мы остро ощущали необходимость в учебнике, в котором были бы сконцентрированы вое основные положения о гетерогенном катализе, где вопросам эксперимента уделялось бы такое же внимание, как и теоретическим принципам, где рассматривались бы в равной степени неметаллы, окислы и металлические катализаторы и, наконец, где были бы рассмотрены все практические аспекты гетерогенного катализа — от лабораторных опытов до вопросов проектирования каталитических реакторов. Мы убеждены в том, что студенты и молодые исследователи, для которых в первую очередь и предназначена эта книга, должны знать о методах получения экспериментальных данных столько же, сколько они должны знать о различных теориях, обобщающих результаты этих экспериментов. Именно поэтому в книгу включена большая глава, посвященная экспериментальным вопросам исследования катализа и адсорбции. Все другие главы и приложенные к ним списки литературы построены в известной степени произвольно, и мы надеемся, что они изложены достаточно кратко.
Хотя при написании книги мы усердно пытались (по возможности) придерживаться единого стиля, нам все же пришлось разделить труд, основываясь на наших склонностях. Одним из нас (Дж. Томасом) в основном были написаны гл. 1, 2, 3, 5 и б, другим (У. Томасом) — гл. 4, 7, 8 и 9.
Работая над этой книгой, мы находились под благотворным влиянием авторов уже имевшихся учебников по катализу, в частности Райдила, Тейлора, Шваба, Эммета, Де Бура, Бонда и Ашмора. Мы чувствовали себя в большом долгу перед рядом ученых, которые терпеливо принимали участие во множестве плодотворных для нас дискуссий и присылали нам свои замечания. Мы постоянно испытывали доброжелательное отношение проф. Сайкса, который первый пробудил в нас интерес к химии поверхности, а также постоянную поддержку деканов наших факультетов проф. Пита и проф. Ричардсона.
Январь 1967 г. Дж. М. Томас
Бангор и Суонсп У. Дж. Томас
СОДЕР/КЛПИЕ
Предисловие ................................ 5
Предисловие авторов............................ 7
Список наиболее часто используемых обозначений.............. &
Глава 1. Введение ........................... 15
1.1. Определение........................... 15-
1.2. Краткий исторический обзор ................... 15
1.3. Последовательность изложения и распределение материала по главам 17 Литература................................. 19
Глава 2. Адсорбция, ее энергетика, изотермы и скорости.......... 20
2.1. Природа адсорбции ....................... 20
2.2. Энергетика адсорбции ...................... 23
2.3. Изотермы адсорбции....................... 36
2.4. Скорости адсорбции и десорбции................. 50
Литература ................................ 62
Глава 3. Экспериментальные методы исследования адсорбции и связанных с ней
явлений на поверхности катализаторов ............. 66
3.1. Введение............'................. 66
3.2. Изучение адсорбции....................... 66
3.3. Изучение химических и физических изменений, сопровождающих про-
j цссс адсорбции на катализаторах................. 111
Литература ............................... 149
Глава 4. Роль пористой структуры и величины поверхности в гетерогенном
катализе............................ 160
4.1. Значение пористой структуры и величины поверхности....... 160
4.2. Экспериментальные методы оценки величины поверхности..... 161
4.3. Методы определения объема и диаметра пор............ 168
4.4. Пористая структура адсорбентов и катализаторов......... 174
4.5. Скорость реакций в пористых катализаторах............ 188
Литература................................. 210
Глава 5. Роль дефектов кристаллической решетки в гетерогенном катализе 212
5.1. Введение............................. 212
5.2. Классификация дефектов кристаллической решетки......... 212
5.3. Специфические примеры, иллюстрирующие роль дефектов кристалли-
' ческой решетки в каталитических реакциях............ 227
5.4. Влияние радиации на каталитическую активность......... 250
Литература................................. 256
Глава 6. Геометрический, электронный и родственные ему факторы в гетерогенном катализе........................ 260
6.1. Введение............................. 260
ti.2. Геометрический фактор...................... 262
6.3. Электронный фактор....................... 268
Литература................................. 276
Глава 7. Динамика селективного и полифункционального катализа..... 278
7.1. Селективность катализаторов ................... 278
7.2. Полифункцнональный катализ .................. 294
Литература................................. 314
Глава 8. Механизм некоторых типичных гетерогенно-каталитических реакций 315
8.1. Каталитическое окисление .................... 315
8.2. Каталитическая гидрогенизация.................. 332
8.3. Синтез Фишера — Троиша.................... 347
8.4. Синтез ц разложение аммиака.................. 353
8.5. Каталитический крекинг..................... 365
8.6. Катализ электродных реакций .................. 377
8.7. Катализ окисления элементарного углерода......... . . . 382
Литература................................. 385
Г л а л а 9. Расчеты каталитических реакторов............... 390
9.1. Формулировка проблемы..................... 390
9.2. Кинетика ............................ 390
9.3. Массо- и теплопередача в неподвижном слое твердого катализатора 415
9.4. Конструкторские расчеты..................... 420
9.5. Устойчивое^ теплового режима реакторов с неподвижным слоем . . 427
9.6. Реакторы с псевдоожиженным слоем................ 433
9.7. Проектирование оптимальных каталитических реакторов..... 437
Литература................................. 444
Предметный указатель............................. 446
Цена: 500руб.
