Аннотация модуля 3_1

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА
РОССИИ Б.Н. ЕЛЬЦИНА
Аннотация к модулю
«Использование рациональных инженерных и технологических
методов получения и применения высокоэффективных
катализаторов для защиты атмосферы от токсичных веществ,
в том числе нейтрализация выхлопных газов автомобильного
транспорта»
Бухтияров В.И.
д.х.н.,член-корреспондент РАН, заместитель директора по научной работе Учреждения
Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения
РАН
Пахомов Н.А.
к.х.н., старший научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского
отделения РАН
Покровская С.А.
к.х.н., старший научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского
отделения РАН
Денисов С.П.
начальник лаборатории катализаторов ОАО «Экоальянс»
Алешин С.В.
сервисный инженер компании BASF (Москва)
Макаров А.М.
д.т.н., генеральный директор ЗАО «ЭКАТ» (Пермь)
Аннотация
Принципы создания и эксплуатации высокоэффективных катализаторов для
защиты атмосферы от выбросов токсичных веществ является неотъемлемой частью
подготовки слушателей. В данном направлении рассматривались вопросы классификации
промышленных катализаторов по составу и требованиям к ним, физико-химические и
эксплуатационные характеристики катализаторов и сорбентов, классификация основных
каталитических процессов и способы их осуществления, основные типы каталитических
реакторов, определение их оптимальных рабочих режимов. В профессиональном модуле
раскрыты вопросы научных основ, методов и технологий синтеза катализаторов,
нанесенных катализаторов, сотовых конструкций и катализаторов на основе
пеноматериалов, возможности использования фото- и плазмокаталитических устройств
очистки воздуха. В круг рассмотрения включены также экологические проблемы
производства собственно катализаторов, защита окружающей среды, персонала, охрана
труда, вопросы регенерации и утилизации отработанных катализаторов. Обсуждались
вопросы загрязнения окружающей среды выхлопами двигателей внутреннего сгорания,
повышения экологичности двигателей, создания и эксплуатации высокоэффективных
нейтрализаторов выхлопных газов и их компонентов. Также в модуле рассмотрены
эффективные наноструктурированные катализаторы, новые тенденции в их разработке.
Цели профессионального модуля
- освоить современные технологии развития производства в сфере высокоэффективных
катализаторов для нейтрализации газовых выбросов
- познакомить с современным состоянием научно-исследовательских разработок в
области высокоэффективных катализаторов для нейтрализации газовых выбросов
Требования к уровню освоению модуля
Результатом освоения темы является овладение обучающимися знаниями:
 законов катализа и принципов каталитического действия для основных классов
каталитических реакций: металлокомплексный катализ, катализ металлами, оксидами и
сульфидами Классификаций катализаторов, состав промышленных катализаторов и
требований к ним,
 физико-химических и эксплуатационных характеристик катализаторов и сорбентов.
 роли синтетических и природных носителей в нанокатализаторах
 понятий токсичности газовых выбросов и ПДК, экологических норм токсичности в том
числе с ЕВРО IV и ЕВРО V
 технологических процессов нейтрализации техногенных газовых выбросов с
применением наноматериалов и нанотехнологий, в том числе выхлопных газов
автотранспорта
 существующего программного обеспечения для проведения расчетов каталитических
реакторов и химико-технологических схем
умениями и навыками:
 использовать методы математической статистики для обработки результатов
экспериментов
 применять нетрадиционные способы приготовления катализаторов с использованием
современных нанотехнологий
№ п/п
1.
2.
3.
Профессиональные компетентности
Поиска оптимальных решений при создании новой наукоемкой продукции с
учетом требований качества, стоимости, сроков исполнения,
конкурентоспособности и экологической безопасности
Разработки программы применения новых материалов при различных условиях
их эксплуатации в схемах очистки газовых выбросов
Использования специализированного программного обеспечения, для расчетов
каталитических реакторов и химико-технологических схем
Описание содержания модуля
3.1.Применение различных методов, в том числе каталитической очистки, для
решения экологических проблем и защиты атмосферы от газовых выбросов
промышленных предприятий
Научные основы современного инженерного катализа. Классификация катализаторов, состав
промышленных катализаторов и требования к ним, физико-химические и эксплуатационные
характеристики катализаторов и сорбентов. Классификация основных каталитических процессов,
способы осуществления каталитических процессов, том числе с участием наноматериалов,
основные типы каталитических реакторов, определение их оптимальных рабочих режимов.
Научные основы и технологии синтеза катализаторов, основные методы изготовления
катализаторов, принципиальные технологические схемы производства промышленных
катализаторов. Различные методы направленного синтеза катализаторов с заданными свойствами,
включая наноструктурированных (соосаждение, термическое разложение компонентов, золь-гель
технологии и пр.). Влияние методов приготовления на основные характеристики твердофазных
каталитических материалов, в том числе наноструктурированных. Нанесенные катализаторы.
Нетрадиционные способы приготовления катализаторов с применением современных
нанотехнологий.
Наноструктурированные
сложнооксидные
катализаторы
на
основе
высокопористых проницаемых ячеистых материалов. Экологические проблемы производства
катализаторов, защита окружающей среды, персонала, охрана труда. Вопросы регенерации и
утилизации отработанных катализаторов.
Практические занятия по теме « Современное специализированное программное
обеспечение для расчетов каталитических реакторов и химико-технологических схем
Среди программного обеспечения, используемого при разработке каталитических
процессов в реакторах различного типа, в том числе при разработке технологии
каталитических методов обезвреживания газовых выбросов в теплоэнергетике,
металлургии, других отраслях промышленности от токсичных веществ, а также при
разработке каталитических методов очистки выхлопных газов транспортных средств
можно выделить следующее:
Система Mathcad компании Mathsoft . Эта система признана одной из лучших систем для
научно-технических вычислений. Она имеет мощные средства для реализации численных
методов расчета и математического моделирования.
Пакет «Реактор». Пакет разработан сотрудниками Института катализа совместно с
сотрудниками Института вычислительной математики и математической геофизики
СОРАН[3]. Пакет предназначен для проведения численного исследования каталитических
процессов, протекающих в реакторах с неподвижным слоем катализатора. Пакет
«Реактор» обладает современным удобным интерфейсом, позволяющим быстро
осуществлять ввод параметров и получать наглядное представление результатов на экране
в виде графиков и таблиц.
Пакет HYSYS.Process фирмы ASPENTECH. Данный пакет широко применяется для
проведения расчетов технологических схем газопереработки, нефтепереработки,
нефтехимии и химии
Пакет FLUENT корпорации ANSYS Inc. [4,5]. FLUENT относится к числу «тяжелых» CFD
пакетов и является одним из самых мощных в области моделирования течений
реагирующих потоков (включая горение), теплообмена, многофазных течений и т.д.
Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать
ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические
реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их
адаптации на основе получаемого решения.
Примеры использования программного обеспечения при решении задач
1. Система Mathcad
Задача 1. Рассчитать адиабатический разогрев реакций при 300К:
CH3OH +0.5O2  CH2O + H2O
CH2O + 0.5O2  CO + H2O
Постановка задачи:
Найти адиабатический разогрев реакции, используя следующие формулы для расчета:
Теплоемкость смеси, Дж/(моль∙К):
C Pсм   С Pi  yi ,
(1)
где yi - концентрация вещества i.
Энтальпия реакции, кДж/(моль∙К):
0
0
H об
  i  H об
i ,
(2)
где  i -стехиометрические коэффициенты реакции.
Степень превращения вещества i:
Xi 
yi0  yi
,
yi0
(3)
где yi 0 - входная концентрация вещества i.
Адиабатический разогрев реакции, град.:
T ад 
0
H об
 yi0  X i
СPсм
Исходные данные:
(4)
Входные концентрации, мольные доли:
метанола 0.03
формальдегида 0.0
кислорода 0.1
воды 0.01
моноксида углерода 0.0
азота 0.86
Выходные концентрации мольные доли:
метанола 0.001
формальдегида 0.01
Недостающие данные можно взять из справочника. Так как реакционная смесь сильно
разбавлена азотом, то изменением объема реакционной смеси в результате реакции можно
пренебречь. Теплоемкость смеси рассчитать при входном составе.
Практические занятия (самостоятельное изучение)
Практическое занятие 1. “Оптимальные рабочие режимы работы реакторов”
Полная задача по оптимизации каталитических реакторов решается в зависимости от
химико-технологической схемы и экономических характеристик конкретного производства, и, в
общем виде, критерии оптимизации отражают технологические показатели производства. В
качестве критерия оптимизации для всей технологической схемы часто выбирается максимальная
производительность по конечному продукту при его минимальной стоимости. Как правило,
химико-технологическая схема (ХТС) включает несколько каталитических реакторов, и на первом
этапе оптимизация выполняется для каждого из реакторов.
Определение оптимальных рабочих режимов работы реакторов выполняется в три этапа:
1-й этап - теоретическая оптимизация. Находятся самые лучшие условия, не принимая во
внимание возможность их реализации. Определяется теоретический оптимальный режим – он
отыскивается из условий максимальной интенсивности процесса при заданном выходе целевого
продукта:
2-й этап – возможность практической реализации. Выбирается конструкция реактора,
позволяющая наилучшим образом приблизить к указанным оптимальным условиям.
3-й этап - согласование рабочих характеристик химико-технологической схемы. Проводится
корректировка рабочих условий, исходя из критериев оптимизации всей схемы. В зависимости от
технологических характеристик схемы последовательность 2-го и 3-го этапов может быть
изменена.
Практическое занятие 2. Оптимальные рабочие режимы работы реакторов для защиты
атмосферы от выбросов токсичных веществ
В последние годы возрастают требования к чистоте продуктов и газовых выбросов в
атмосферу для современных химических производств и транспортных средств. В значительной
степени, особенно в развитых странах, увеличиваются штрафы при работе химических
комбинатов в условиях, когда содержание концентраций токсичных веществ в газовых выбросах
превышает ПДК. Таким образом, если ранее основным критерием оптимизации реакторов для
обезвреживания отходящих газов являлись условия, предъявляемые к чистоте атмосферного
воздуха, то сейчас постоянно возрастает роль экономического фактора.
Практическое занятие 3. Сравнение режимов работы реакторов идеального смешения и
идеального вытеснения
3.2. Создание и эксплуатация высокоэффективных катализаторов для защиты
атмосферы от выбросов токсичных веществ
Инженерные и технологические особенности получения и использования высокоэффективных
катализаторов для защиты окружающей среды.
Фото- и плазмокаталитические устройства очистки воздуха.
Очистка выхлопных газов транспортных средств. Проблема загрязнения атмосферы выхлопными
газами транспортных средств. Состав токсичных веществ выхлопных газов и их воздействие на
окружающую среду. Нормы выбросов, стандарты ЕВРО и другие, их практическое применение.
Законодательные акты, регулирующие предельно допустимые выбросы. Особенности бензиновых
и дизельных двигателей как источников загрязнения окружающей среды. Возможности
уменьшения токсичности выхлопных газов. Применение каталитических методов очистки
выхлопных газов. Эффективные наноструктурированные катализаторы, новые тенденции в их
разработке. Основные принципы получения сложнооксидных компонентов для автомобильных
нейтрализаторов. Особенности эксплуатации нейтрализаторов выхлопных газов. Лабораторные и
натурные испытания нейтрализаторов. Измерение каталитической активности материалов.
Изучение процессов старения катализаторов.
Производственные экскурсии.
Производственные экскурсии охватывает практически полный цикл технологии
получения перспективного класса нанесенных на пеноникель сложнооксидных
катализаторов, начиная с гидрометаллургической добычи никеля в виде растворов солей,
через получение носителей (пеноникель), до производства готовых катализаторов. Кроме
того в круг экскурсий включено рассмотрение технологии получения, контроля и
испытаний блочных сотовых катализаторов для автомобилей, производства
сложнооксидных компонентов для них. Помимо этого рассматриваются вопросы
получения функциональных материалов методами порошковой металлургии, в том числе
изделий из порошков никеля для химических источников тока. Экскурсии служат с одной
стороны для повышения общей технической эрудиции слушателей, дает представление о
полном цикле производства катализаторов. С другой стороны дают возможность оылвдеть
специальными компетенциями (знаниями, навыками) по рациональной организации
производства высокоэффективных катализаторов и их компонентов.
Экскурсия 1. Холдинг Уральский никель. Ознакомление с технологией
гидрометаллургической добычи никеля для изготовления высокопористых проницаемых
ячеистых материалов ВПЯМ (пеноникель), как носителей катализаторов.
Сырьём для производства пеноникеля может быть катодный никель и/или
сернокислый никель, производимые российской промышленностью, но из-за высоких цен
на данную продукцию и наличию экологических проблем по утилизации отработанных
растворов была разработана и планируется к реализации технология получения
необходимых сернокислых растворов (сырья для производства пеноникеля) из
окисленных
никелевых
руд
Уральской
геологической
провинции
гидрометаллургиченским методом.
В ходе экскурсии слушатели знакомятся непосредственно на месторождениях
никелевых руд с оборудованием и методами гидрометаллургической добычи никеля в
виде растворов (подземное выщелачивание). Проводится ознакомление с сорбционными,
ионообменными технологиями очистки и концентрирования растворов никелевых солей
от примесей других металлов.
Экскурсия 2. ЗАО “ЭКАТ”, г. Пермь. Предприятие Новомет, г. Пермь. Ознакомление с
технологией изготовления высокопористых проницаемых ячеистых материалов ВПЯМ и
катализаторов на их основе, технологии изготовления материалов методами порошковой
металлургии.
На предприятии «ЭКАТ» происходит ознакомление с высокоэффективными
катализаторами для нейтрализации газовых сбросов на основе высокопористых ячеистых
материалов (ВПЯМ). Каталитические блоки на основе пеноникеля предназначены для
дожига органических веществ, оксида углерода, аммиака, озона, восстановления оксидов
азота. Эффективность очистки до 99,9%. Применение в качестве катализаторов таких
структур как шпинели, перовскиты.
Предприятие производит каталитические блоки на основе пенометаллов для
дожига органических веществ, оксида углерода, аммиака, озона, восстановления оксидов
азота. Катализаторы на основе пенометаллического носителя обладают высокой
проницаемостью, удельной поверхностью, низким уровнем гидравлического
сопротивления по сравнению с традиционными. Уникальная сетчатоячеистая структура
обеспечивает лучшие условия массообмена и более эффективное использование
поверхности.
При этом все преимущества особенно проявляются при высоких нагрузках на
катализатор и малых концентрациях загрязняющих веществ. Катализаторы не содержат
платиновые металлы. Предприятие выпускает катализаторы для сжигания водорода для
атомных реакторов, производства полупроводников, аккумуляторных помещений,
водородной энергетики, каталитические блоки переработки широкой фракции легких
углеводородов нефтяного газа в моторное топливо, блоки очистки и стерилизации воздуха
помещений от пыли, бактерий, установки каталитического обезвреживания газовых
выбросов.
Знакомство с разработками по «равнодоступной поверхности различных типов
кристаллических покрытий на поверхности». Сущность этой разработки связана с
выращиванием на поверхности подложки (носителя) пирамидоидальных, игольчатых
кристаллов окиси алюминия (циркония).
Экскурсия 3. Ознакомление с технологическим оборудованием по получению
нанопорошков для изготовления автомобильных нейтрализаторов. Предприятие
“Лаборатория Титова”, Закрытое акционерное общество «ТСП» пос.Горный Щит.
В рамках профессиональной переподготовки по теме «Разработка и применение
высокоэффективных катализаторов для нейтрализации газовых выбросов» проводится
посещение предприятия по производству порошков ЗАО «ТСП». Территориально
предприятие расположено в селе Горный Щит (пригород г. Екатеринбург).
Порядка 50 % штата предприятия составляют инженерно-технические работники (в
их числе четыре аспиранта УрФУ), которые изучают, анализируют существующие
технологии, опыт других предприятий, занимаются разработкой новых технологических
процессов (нанотехнологии), позволяющих решать задачи, отвечающие современным
требованиям заказчиков. От синтеза новых материалов в лабораторных условиях до
выпуска производственных партий.
Вопросы для самостоятельного изучения
1. Катализатор как индивидуальное химическое вещество и как смесь химических веществ.
2. Основные компоненты катализатора.
3. Понятие об активном компоненте катализатора.
4. Понятие об активном центре, его окружении и носителе.
5. Классификация катализаторов на основе их химического состава.
6. Классификация катализаторов на основе фазового состояния компонентов.
7. Классификация каталитических процессов.
8. Основные причины каталитического действия.
9. Формы промежуточного химического взаимодействия при катализе.
10. Активация реагентов при взаимодействии с активным центром.
11. Сближение реагентов при взаимодействии с активным центром
12. Снятие запрета по симметрии.
13. Роль энергетического и структурного факторов при взаимодействии реагирующих веществ с
катализатором.
14. Образование металлоорганического соединения как типичная стадия механизмов
каталитических процессов с участием металлокомплексов.
15. Основные
ключевые
стадии
перегруппировок
металлоорганических
соединений:
окислительное присоединение, восстановительное элиминирование, внедрение, реакции
сдвига.
16. Каталитический цикл как последовательность ключевых стадий.
17. Правила Хиггинсона, Пирсона и Толмана для цикла.
18. Матричный эффект.
19. Правило Г.К. Борескова о примерном постоянстве удельной каталитической активности.
20. Классификация реакций по М. Будару.
21. Примеры структурно-чувствительных и структурно-нечувствительных реакций.
22. Возможные причины влияния дисперсности на каталитические свойства.
23. Реакции окисления и стадии механизма окисления органических соединений в присутствии
металлокомплексных каталитических систем.
24. Природа стадии активации кислорода.
25. Гомо- и гетеролитический механизмы окисления.
26. Окисление толуола в бензойную кислоту.
27. Окисление олефинов в окиси олефинов.
28. Два принципа действия металлокомплексных катализаторов окисления органических
веществ молекулярным кислородом.
29. Особенности активации молекулы кислорода твердыми оксидами.
30. Реакции полного и селективного окисления.
31. Применение
теории
поля
лигандов
(концепция
энергии
стабилизации
кристаллическим полем) для объяснения каталитических свойств оксидов.
32. Классификация механизмов каталитического окисления.
33. Полимеризация олефинов на гетерогенных катализаторах.
34. Механизм роста полимерной цепи.
35. Число активных центров и их реакционная способность.
36. Механизм стереорегулирования при изотактической и синдеотактической
полимеризации.
37. От каких параметров зависит максимальная температура в адиабатическом реакторе?
38. Дать определение времени контакта.
39. Влияет или нет коэффициент теплопередачи через стенку реактора на показатели
процесса в адиабатическом реакторе?
Тесты к материалам для самостоятельного изучения «Современное
специализированное программное обеспечение для расчетов каталитических
реакторов и химико-технологических схем»
1. Какой пакет предназначен и широко применяется для проведения расчетов
технологических схем?
А) Система Mathcad компании Mathsoft
Б) Пакет «Реактор» ИК и ИВМиМГ СО
РАН
В) Пакет HYSYS.Process фирмы
Г) Пакет FLUENT корпорации ANSYS
ASPENTECH
Inc.
2. В каком пакете предусмотрена возможность моделирования трехмерных реагирующих
потоков?
А) Система Mathcad компании Mathsoft
Б) Пакет «Реактор» ИК и ИВМиМГ СО
РАН
В) Пакет HYSYS.Process фирмы
Г) Пакет FLUENT корпорации ANSYS
ASPENTECH
Inc.
3.Какой пакет предназначен для проведения численного исследования каталитических
процессов только в реакторах с неподвижным слоем катализатора?
А) Система Mathcad компании Mathsoft
Б) Пакет «Реактор» ИК и ИВМиМГ СО
РАН
В) Пакет HYSYS.Process фирмы
Г) Пакет FLUENT корпорации ANSYS
ASPENTECH
Inc.
4. Какие функции предусмотрены для решения дифференциальных уравнений в системе
Mathcad?
А) given-find
Б) rkfixed
В) lsolve
Г) не предусмотрены
5. От каких из нижеперечисленных величин зависит величина адиабатического разогрева
реакции?
А) Степень превращения исходного
Б) Расход газа
реагента
В) Диаметр слоя катализатора
Г) Время контакта
6. В изотермическом реакторе идеального смешения протекает одна реакция порядка n (n
> 1). Как влияет увеличение входной концентрации исходного вещества на его степень
превращения?
А) Степень превращения не меняется
Б) Степень превращения убывает
В) Степень превращения возрастает
7. В изотермическом реакторе идеального вытеснения протекает одна реакция порядка n
(n < 1). Как влияет увеличение входной концентрации исходного вещества на его степень
превращения?
А) Степень превращения не меняется
Б) Степень превращения убывает
В) Степень превращения возрастает
8. Какой блок решения используется для нелинейных уравнений и систем в системе
Mathcad?
А) given-find
Б) rkfixed
В) lsolve
Г) odesolve
9. В адиабатическом реакторе с неподвижным слоем катализатора при протекании одной
экзотермической реакции увеличение расхода исходной смеси приводит к снижению
степени превращения исходного вещества. Чтобы повысить его степень превращения,
необходимо:
А) Увеличить длину слоя катализатора
Б) Уменьшить длину слоя катализатора
В) Снизить концентрацию исходного
вещества в смеси
Контрольные вопросы
1. Приведите основные механизмы закрепления наносимых предшественников на
поверхности носителей.
2. Какие свойства системы "носитель - наносимое вещество" необходимо знать, чтобы, не
проводя специальных экспериментов, предсказать, будете ли данное вещество
адсорбироваться на поверхности оксидного носителя из водного раствора или нет?
3. Сформулируйте условия получения адсорбционного платинового катализатора на
оксиде алюминия, имеющего различные типы распределения активного металла по зерну
носителя
4. В чем причина широкого использования нанесенных би- и полиметаллических
катализаторов.
5. Приведите основные способы приготовления нанесенных биметаллических
катализаторов.
6. Современное специализированное программное
обеспечение для расчетов
каталитических реакторов и химико-технологических схем
7. Какие расчеты можно выполнять с помощью системы Mathcad?
8. В реакторах какого типа можно исследовать каталитические процессы с помощью
пакета Реактор?
9. Можно ли использовать пакет HYSYS для изучения процессов в системе
каталитических реакторов?
10. Привести зависимость для расчета адиабатического разогрева и рассчитать его для
конкретной реакции.
11. Нарисовать типичный температурный профиль по длине адиабатического реактора.
12. Какие структуры относят к открытоячеистым материалам
13. Каковы характерные размеры дефектов и пор в композиционных пенометаллах
14. Основные модификации оксида алюминия
15. Особенности строения кристаллов перовскитов
16. Что такое нагрузка на катализатор
17. Особенности фото- и плазмокаталитических технологий очистки газовых выбросов
18. В чем основные отличия газовых сред, выбрасываемых двигателями различных
типов?
19. Что означает аббревиатура TWC, в чем смысл этого термина?
20. Какова роль родия в TWC-катализаторах?
21. Какова роль оксида церия в TWC-катализаторах?
22. Каковы пути повышения эффективности TWC-катализаторов?
23. Как можно увеличить кислородную емкость катализатора?
24. Какие компоненты газовых выбросов дизельных двигателей являются наиболее
проблемными с точки зрения их нейтрализации?
25. Какие известны способы удаления сажи из фильтров?
26. Для каких целей в окислительном катализаторе дизельного двигателя должна быть
предусмотрена функция доокисления монооксида азота до диоксида?
27. Какие известны способы удаления оксидов азота из выбросов дизельных двигателей?
28. Какие известны способы повышения термостабильности оксидных материалов?
29. Какими величинами оценивается каталитическая активность применительно к
автомобильным катализаторам?
30. Что такое окно бифункциональности? Как оно измеряется?
31. Чем отличается динамическая кислородная емкость от величины кислородной
нестехиометрии?
32. Как оценивается термостабильность катализаторов?
33. Какие характеристики катализаторов можно оценивать на моторном стенде?
34. Как оценивается ресурс катализатора с помощью моторного стенда?
35. Какова цель проведения испытаний в составе автомобиля на стенде с беговыми
барабанами?
Тестовые вопросы
1. Древнейшим известным каталитическим процессом можно считать:
А) Процесс брожения виноградной массы
Б) Превращения спирта в эфир под
(виноделие)
В) Превращение спирта в “маслородный
газ” в глиняной трубке
действием “купоросного масла”
Г) Получение фруктовой эссенции из
спирта и уксуса в присутствии глины
2. Какой вариант механизма реакции превращения SO2 в SO3 на воздухе в присутствии
NO2 был предложен Дезормом для объяснения протекания данной реакции?
А) NO2 окисляется О2 до N2O5, после чего
Б) NO2, взаимодействуя с О2 и двумя
окисляет SO2 до SO3, превращаясь обратно
молекулами SO2, образует сложный
в NO2
комплекс, который распадается на NO2 и 2
молекулы SO3
В) NO2 окисляет SO2 до SO3, превращаясь
в NO, после чего окисляется О2 до N2O
Г) NO2 восстанавливается до N2, окисляя
SO2, после чего N2, взаимодействуя с О2
снова образует NO2
3. Что означает Катализ в переводе с латинского?
А) Разрушение
Б) Создание
В) Безжизненный
Г) Дающий жизнь
4. Современное феноменологическое определение катализа?
А) Ускорение химических реакций в
присутствии сторонних веществ
Б) Возбуждение химических реакций или
изменение их скорости под влиянием
веществ – катализаторов, многократно
вступающих в промежуточное химическое
взаимодействие с участниками реакции и
восстанавливающих после каждого цикла
промежуточных взаимодействий свой
состав
В) Явление ускорения химических
реакций
Г) Явление запуска реакций при вводе в
систему веществ, не являющихся
реагентами
5. Как катализатор влияет на равновесный состав продуктов реакции?
А) Увеличивает количество продуктов
реакции
В) Никак не влияет
Б) Уменьшает количество продуктов
реакции
Г) В случае простых систем никак не
влияет. В случае возможности протекания
множества параллельных реакций,
возбуждает некоторые из них, не влияя на
равновесный состав продуктов,
рассчитанный по этим реакциям
6. С точки зрения электронного строения молекул некоторые реакции запрещены по
симметрии (правила Вудворда-Гоффмана). Однако такие реакции удается проводить в
присутствии катализаторов. Какие свойства катализаторов позволяют им катализировать
запрещенные по симметрии реакции?
А) Наличие ненулевого электронного
спина у некоторых катализаторов
Б) Наличие у катализатора различных по
симметрии орбиталей, взаимодействие
орбиталей реагентов с которыми позволяет
перекачивать электроны между реагентами
В) Наличие парамагнитных свойств у
некоторых катализаторов
Г) Наличие избыточной поверхностной
энергии
7. По классификации состояния активного компонента в катализаторе выделяют
следующие типы катализаторов:
А) Газ, жидкость, кристаллы, аморфный
Б) Металлический, оксидный,
сульфидный
В) Массивный, нанесенный,
закрепленный
Г) Однокомпонентный,
Многокомпонентный
8. Что понимают под понятием число оборотов активного центра?
А) Каталитическую активность,
отнесенную к массе катализатора
В) Каталитическую активность,
отнесенную к величине удельной
Б) Каталитическую активность,
отнесенную к объему катализатора
Г) Каталитическую активность,
отнесенную к числу активных центров
поверхности катализатора
9. Что такое энантиоселективность?
А) Отношение количества целевых
продуктов реакции к суммарному
количеству прореагировавших веществ с
соответствующими стехиометрическими
коэффициентами
Б) Доля определенного геометрического
изомера в продуктах реакции
В) Доля определенного оптического
изомера в продуктах реакции
Г) Доля целевого соединения в продуктах
реакции
10. Введение NO2 в смесь Н2 и О2 приводит к значительному увеличение скорости
окисления водорода. Как введение NO2 отражается на энергетических характеристиках
отдельных стадий реакции?
А) Снижается энергия активации стадии
инициирования
В) Теплота реакции распределяется по
Б) Снижается энергия активации стадии с
самым большим энергетическим барьером
Г) Все вышеперечисленное
стадиям более равномерно, наблюдается
равномерное падение энергии
интермедиатов
11. За счет какого фактора в случае гомогенного катализа в газовой фазе происходит
увеличение скорости реакций?
А) За счет увеличения энтропийного
Б) За счет снижения энтропийного
фактора в уравнении скорости реакции
фактора в уравнении скорости реакции
В) За счет снижения энергии активации
стадии с самым большим энергетическим
Г) За счет снижения энергии продуктов
реакции
барьером
12. Рассматриваются три возможных пути влияния растворителя скорость химических
реакций в жидких средах: влияние среды как диэлектрического континуума, влияние
среды как сольватационной “шубы”, координация молекул растворителя как лигандов.
Какой из этих эффектов может оказывать наибольшее влияние на скорость реакции между
двумя молекулами реагентов (скорость сравнивают со скоростью такой же реакции в
газовой фазе)?
А) Влияние среды как диэлектрического
континуума
В) Координация молекул растворителя
как лигандов
Б) Влияние среды как сольватационной
“шубы”
Г) Влияние всех эффектов обычно
примерно одинаково
13. Упрощенно механизм гетерогенной каталитической реакции А  Р можно описать
следующей последовательностью стадий: физическая адсорбция А, химическая адсорбция
А, перегруппировка химически адсорбированного А в химически адсорбированное Р,
переход химически адсорбированного Р в физически адсорбированное Р, десорбция
физически адсорбированного Р. Какое максимальное число энергетических барьеров
имеет энергетический профиль такой реакции?
А) 1
Б) 2
В) 3
Г) 5
14. В качестве катализаторов селективного окисления в промышленности обычно
используются:
А) Твердые гетерогенные катализаторы
Б) Гомогенные катализаторы в жидкой фазе
В) Гомогенные катализаторы в газовой
Г) Ферменты
фазе
Тестовые вопросы
1. Экологические требования для автомобилей Российского производства действующие на
территории РФ с 2008 г.
1б
а) Евро-3
б) Евро-4
2. Область распространения Правил 83-05 ЕЭК ООН ……………………
1б
а) АТС массой до 3,5 т
б) АТС массой более 3,5 т
в) с бензиновыми, дизельными, газовыми и гибридными силовыми установками
3. Каким стандартом регламентируются выбросы для внедорожной техники:
1б
1) Правила 49-04 ЕЭК ООН
2) Правила 96-02 ЕЭК ООН
4. Какой двигатель менее экономичный и с меньшим крутящим моментом при
аналогичных параметрах:
2б
а) Бензиновый
б) Дизельный
5. Отметьте материалы применяемые в качестве носителей катализатора (блоков)
1б
а) металл
б) Керамика (кордиерит)
в) Керамика (карбид-кремния)
6. Укажите количество ячеек на квадратный дюйм при маркировке блока 400/6,5
2б
7. Какие металлы платиновой группы используются для автомобильных катализаторов?
3б
8. Укажите ключевое требование при разработке катализатора:
2б
1) обеспечить высокую конверсию преобразования вредных компонентов
2) обеспечить стабильность параметров при старении
3) обеспечить нечувствительность к отравлению свинцом
9. Зонированое каталитическое покрытие блока обеспечивает:
1) равномерное нанесение катализатора
2) уменьшение противодавления
3) необходимое распределение металлов платиновой группы
10. Укажите типы катализаторов применямых для дизельных двигателей
3б
11. Укажите уровень эффективности сажевого фильра
1б
1) 30%
2) 60%
3) 90%
12. Какая из систем регенерации работает в автономном режиме без электронного
регулирования?
1б
а) пассивная
б) активная
13. Какой тип каталитической очистки, для дизеля, позволяет нейтрализовать NOx
1б
а) сажевый фильтр (CSF)
б) окислительный катализатор (DOC)
в) катализатор селективного восстановления (SCR)
14. Укажите направление развития катализаторов по температуре начала эффективной
работы:
а) уменьшение температуры
б) увеличение температуры
в) не влияет на эффективность
15. Требуется ли увеличение максимальной температуры работы катализатора
1б
а) да
б) нет
Рекомендуемая литература
I. Основная.
1. Боресков Г.К. Катализ. Ч.1, 2. Новосибирск, 1971.
2. Сетерфилд Ч. Практический курс гетерогенного катализа. М.: Мир, 1984.
3. Хенрици-Оливэ Г., Оливэ С. Координация и катализ. М.: Мир, 1980.
Чоркендорф И., Наймонтсведрайт Дж. Современный катализ и химическая
кинетика. пер. с англ. Изд-во: Интеллект, 2008 г., 600 с.
5. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. Учебное пособие для ВУЗов. Издательскокниготорговый центр Академкнига, 2004 г., 679 с.
6. Боресков Г.К. Научные основы приготовления катализаторов // Катализаторы и
каталитические процессы. Сб. науч. тр. – Новосибирск: Ин-т катализа, 1977. – С. 29
– 56.
7. Буянов Р.А. Современное понимание научных основ приготовления и технологии
катализаторов // Научные основы приготовления и технологии катализаторов.
Сборник научных трудов. – Новосибирск: Ин-т катализа, 1990 – С. 1 – 15
8. Буянов Р.А., Пахомов Н.А. Кинетика и катализ. – 2005. – Т.46. – №5. – С.711 – 727.
9. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Изд-во МГУ. 2003. 288 с
10. Молчанов В.В., Буянов Р.А. Успехи химии. 2000. Т.69. №5. С.476
11. Молчанов В.В., Буянов Р.А., Цыбуля С.В., Крюкова Г.Н., Шмаков А.Н., Боронин
А.И., Володин А.М. Природа влияния механохимической активации на
каталитические свойства оксида цинка // Кинетика и катализ. 2004. Т. 45. №5. С.
724 – 733
12. Молчанов В.В., Буянов Р.А., Павлюхин Ю.Т. Влияние механохимической
активации на каталитические свойства ферритов со структурой шпинели //
Кинетика и катализ. 2003. -Т.44. - №6.- С. 860 – 864..
13. Молчанов В.В., Буянов Р.А., Цыбуля С.В., Крюкова Г.Н., Шмаков А.Н., Боронин
А.И., Володин А.М. Природа влияния механохимической активации на
каталитические свойства оксида цинка // Кинетика и катализ. 2004. Т. 45. №5. С.
724 – 733
14. Молчанов В.В., Буянов Р.А., Павлюхин Ю.Т. Влияние механохимической
активации на каталитические свойства ферритов со структурой шпинели //
Кинетика и катализ. 2003. -Т.44. - №6.- С. 860 – 864.
15. Карнаухов А.П. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых
материалов. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение РАН. 1999. 469 с.
16. Пахомов Н.А. Проблемы обратимой и необратимой дезактивации нанесенных
биметаллических катализаторов дегидрирования низших парафинов // Кинетика
и катализ 2001. Т. 42. № 3. С. 372-782.
17. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов.- М., Химия, 1969.
18. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. - М.,
Наука, 1987.
19. Катализ в промышленности/под ред. Б. Рич./ - М., Мир, 1986. Справочник азотчика,
т.1 и 2, - М., Химия, 1986.
20. Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах. - Л., Химия, 1989.
21. Бесков В.С., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М., Химия, 1991.
22. Бесков В.С., Cафронов В.С. Общая химическая технология и основы
промышленной экологии. - М., Химия, 1999.
23. Hayes R. E. Introduction to Chemical Reactor Analysis, Amsterdam, Gordon and Breach
Science Publishers, 2001 (University of Alberta, Canada)
24. Слинько М.Г. Основы и принципы математического моделирования
каталитических процессов. – Новосибирск, 2004
25. Промышленный катализ в лекциях, выпуск 4, 2006 (лекция А.С. Носкова
“Промышленные каталитические реакторы и их особенности” ), “Калвис”, Москва,
2006.
26. Levenshpiel O. Тhe Сhemical Reactor Omnibook. Oregon State University, Corvallis,
Oregon, ( USA), 1993.
4.
27. Handbook of Heterogeneous Catalysis, Vol.3, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim
(Germany), 1997.
28. Handbook of Heterogeneous Catalysis. Vol.4. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim
(Germany), 2007.
29. R.Aris. Ends and beginnings in the mathematical modeling of chemical engineering
systems, Chemical Engineering Science, Vol.48, No.14, pp.2507-2517, 1993.
30. Математическое моделирование химических реакторов./под ред. Г.И. Марчука/. Новосибирск, Наука, 1984 и 1989.
31. Ю.Ш.Матрос, А.С.Носков, А.С. Чумаченко. Каталитическое обезвреживание
отходящих газов промышленных производств, “Наука”, Новосибирск, 1997.
32. Крылов О.В., Гетерогенный катализ, Новосибирск, НГУ, 2002.
33. R.L. Heck, R.J. Farrauto, S.T. Gulati, Catalytic air pollution control, 2002, John Wiley &
Sons, Inc., New York, second edition, 391 p.
34. Бесков В. С. Общая химическая технология. М., Химия, 2005.
35. Слинько М. Г. Общие вопросы теории химических процессов и реакторов.
Новосибирск, ИК, 2008.
36. Верниковская Н.В., Малоземов Ю.В., Покровская С.А. Каталитические процессы в
реакторах с неподвижным слоем. Новосибирск, НГУ, 2008.
37. Труды Всероссийской конференции с международным участием “Каталитические
технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта”, под
ред. А.С. Носкова и З.Р. Исмагилова, Санкт-Петербург, 11-14 декабря 2007 г.
38. Кутенев В.Ф., Кисуленко Б.В., Шюте Ю.В. Экологическая безопасность
автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Москва, 2009 г.
39. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. токсичность отработавших газов
дизелей. Москва, 2002 г.
40. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-81.-Введ.
01.01.82.-м., 1981.
41. Экологические проблемы больших городов: инженерные решения. - М.: МНЭПУ,
1997 г.
42. Экология Москвы. Экологическая программа столицы. - М.: Олимп. 1996 г.
43. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенёв В.Ф. Экологическая безопасность автомобиля в
полном жизненном цикле. - М.: НАМИ, 2001. - 248 с.
44. Каменев В.Ф., Куров Б.А. Российское и международное нормирование вредных
выбросов автотранспортных средств. // Автомобильная промышленность, 1993, №
12. - с. 30-33.
45. Кутенёв В.Ф., Каменев В.Ф. Вредные выбросы автомобильных двигателей,
нормирование и методы измерений. - М.: МАМИ, 1999. - 68 с.
II. Дополнительная.
1. Бухтияров В.И., Слинько М.Г. Металлические наносистемы в катализе. Успехи химии,
2001, т. 70, №2, 147-159.
2. Бухтияров В.И. Изучение природы адсорбированных частиц как мост между наукой о
поверхности и катализом: Рассмотрение проблем “pressure and material gap”. Кинетика
и катализ, 2003, т. 44, №3, 457-470.
3. Bukhtiyarov V.I., Kaichev V.V., Prosvirin I.P. X-ray photoelectron spectroscopy as a tool
for in-situ study of the mechanisms of heterogeneous catalytic reactions. Topics Catalysis,
2005, v.32, 3-15.
4. Бухтияров В.И. Современные тенденции науки о поверхности в катализе.
Установление взаимосвязи структура–активность в гетерогенных катализаторах.
Успехи химии, 2007, т. 76, №6, 596-627.
3. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Mathcad 7 в математике, физике и в Internet, Изд.
«Нолидж», Москва, 345 с., тираж 5000 экз.,1998
4. В.Е. Шаронов, Компьютер для химика, учебно-методическое пособие, НГУ,
Новосибирск, 2006
5. Н.В. Верниковская, Ю.В. Малоземов, С.А.Покровская, Каталитические процессы в
реакторах с неподвижным слоем, Учебно-методическое пособие для компьютерного
курса по инженерной химии каталитических процессов, Изд. НГУ, Новосибирск, 68 с.,
тираж 80 экз., 2008
6. www.fluent.co.uk
7. Ю.М.Жоров, Термодинамика химических процессов, Москва, Химия, 1985
8. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А., Аппараты со стационарным зернистым
слоем. М.: Химия, 1979
9. Торочешников Н.С., Родионов А.И., Кельцев Н.В., Клушин В.Н. Техника защиты
окружающей среды.- М.: Химия, 1981. -368 с.
10. Анциферов В.Н., Макаров А.М., Остроушко А.А. Высокопористые проницаемые
ячеистые материалы – перспективные носители катализаторов. Екатеринбург: УрО
РАН, 2006. 227с.
11. Болбас М.М., Парман Р.Я., Савич Е.Л. Основы промышленной экологии. Автомобильный транспорт. - Минск: Вышэйшая шк., 1993. -235 с.
12. Попова Н. М. Катализаторы очистки выхлопных газов автотранспорта // «Наука» Каз.
ССР, 1987.
13. Большаков А. М. Автомобильные каталитические конверторы // Химическая
технология №1. 2000.
14. Крылов О.В., Третьяков В.Ф. Каталитическая очистка выхлопных газов
автомобильного транспорта// Катализ в промышленности №4. 2007.
15. Крылов О.В., Гетерогенный катализ, Новосибирск, НГУ, 2002.
16. Р. Хьюз. Дезактивация катализаторов // М. Химия. 1989.
17. R. Farrauto, R.M. Heck. Environmental catalysis into the 21st century // Catal. Today 55
(2000) 179.
Резюме преподавателей
Бухтияров Валерий Иванович
Член-корреспондент РАН, доктор химических наук, заместитель директора
Института катализа СО РАН по научной работе (Новосибирск), заведующий кафедрой
катализа и адсорбции факультета естественных наук НГУ, специалист в области физикохимии поверхности, гетерогенного катализа и функциональных наноматериалов.
Основные области его научных интересов – изучение элементарных химических
процессов на поверхности твердых тел, в том числе с использованием современных
физических методов in situ, установление взаимосвязи “структура-активность” в
гетерогенных катализаторах, разработка способов управляемого синтеза функциональных
наноматериалов для каталитических приложений.
Бухтияров В.И. является автором свыше 120 научных работ, включая шесть обзорных
статей и одну главу в книге, и 4 патентов. В 2006 г. Бухтиярову В.И. присуждена премия
МАИК “Наука/Интерпериодика” за лучшую публикацию в журналах РАН.
В 2003 г. Бухтияров В.И. стал лауреатом фонда имени М.А. Лаврентьева для молодых
ученых в номинации “За выдающийся вклад в развитие Сибири и Дальнего Востока”.
Покровская Светлана Афанасьевна
Кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории нестационарных
каталитических методов очистки газов Института катализа СО РАН, доцент кафедры
«Катализ и адсорбция» ФЕН НГУ. Разработала и читает учебный курс по инженерной
химии каталитических процессов, состоящий из лекций и компьютерного курса,
руководит квалификационными работами студентов и магистрантов. Автор более 60
научных трудов в реферируемых журналах, имеет 7 изобретений, в т.ч. 2 патента США.
Участвует в совместных работах с химическими фирмами США, Германии, Бельгии,
сотрудничает с вузами Франции и Финляндии.
Верниковская Надежда Викторовна
Кандидат технических наук по специальности 05.17.08, научный сотрудник группы
разработки и оптимизации каталитических процессов с дезактивацией катализаторов
Института катализа СО РАН, доцент кафедры «Катализ и адсорбция» ФЕН НГУ, доцент
кафедры «Инженерные проблемы экологии» ФЛА НГТУ, специалист в области
математического моделирования адсорбционных и каталитических процессов.Основная
область её научных интересов – математическое моделирование адсорбционных и
каталитических процессов, в частности, таких процессов, как парциальное окисления
метана на блочных катализаторах; сушка воздуха с использованием селективных
сорбентов воды; паровая конверсия природного газа в трубчатом реакторе с
использованием катализаторов сложной формы; дегидрирование низших парафинов в
кипящем слое; изомеризация нормальных (С5-С8) парафинов в изопарафины в
неподвижном адиабатическом слое; улавливание сажевых частиц выхлопных газов
дизельных двигателей волокнистыми пористыми материалами фильтров и их регенерация.
Верниковская Н.В. является автором свыше 20 научных работ, опубликованных в
ведущих научных изданиях и более 40 публикаций в трудах Международных и
Всероссийских конференций
Денисов Сергей Петрович
После окончания физико-технического факультета УПИ в 1981 году работал на
Уральском электрохимическом комбинате: с апреля 1981 – инженером-технологом
Приборного завода; с ноября 1982 – инженером-экспериментатором лаборатории
Катализаторов отдела 29; с июня 1989 – руководителем группы в лаборатории Систем
нейтрализации объекта 46; с июня 1992 – начальником лаборатории Систем
нейтрализации объекта 46; с апреля 1994 – начальником технического бюро Производства
нейтрализаторов выхлопных газов объекта 46; с апреля 2003 – руководителем группы
Катализаторов и технологий Завода автомобильных катализаторов; с июля 2010 по
декабрь 2010 – начальником бюро Проектирования и испытаний Завода автомобильных
катализаторов. С января 2011 работает в ООО «ЭкоАльянс» в должности начальника
лаборатории Катализаторов.
В 2008 году защитил кандидатскую диссертацию на тему «Поведение
наноразмерных частиц Pt, Pd и Rh на γ-AI2O3 и Ce1xZrxO2±δ носителях в условиях
высокотемпературного трехфункционального каталитического (TWC) процесса». По
результатам его работ опубликованы 4 статьи в российских и зарубежных научных
журналах и 12 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Имеет 5 изобретений.