Ce poți găti din calmar: rapid și gustos

Cataliză(Greaca κατάλυσις se întoarce la καταλύειν - distrugere) - accelerarea selectivă a uneia dintre direcțiile posibile permise termodinamic reacție chimică sub influența unui catalizator (catalizatori), care intră în mod repetat în interacțiuni chimice intermediare cu participanții la reacție și își restabilește compozitia chimica după fiecare ciclu de interacţiuni chimice intermediare. Termenul de „cataliză” a fost introdus în 1835 de omul de știință suedez Jons Jakob Berzelius. Fenomenul de cataliză este larg răspândit în natură (majoritatea proceselor care au loc în organismele vii sunt catalitice) și este utilizat pe scară largă în tehnologie (în rafinarea petrolului și petrochimie. producerea de acid sulfuric, amoniac, acid azotic etc.). Majoritatea reacțiilor industriale sunt catalitice Cazul în care catalizatorul este unul dintre produsele de reacție sau materiile sale de pornire se numește autocataliză. Catalizatorul formează un compus intermediar cu o moleculă a unuia dintre reactivii în care legăturile chimice sunt slăbite. Acest lucru facilitează reacția cu al doilea reactiv. Este important de reținut că catalizatorii accelerează reacțiile reversibile atât în ​​direcția înainte, cât și în cea inversă. Prin urmare, ele nu modifică echilibrul chimic [

Aplicarea catalizei în industrie

Hidrogenarea[editează | editați textul wiki]

Un număr mare de reacții catalitice sunt asociate cu activarea unui atom de hidrogen și a unei alte molecule, ducând la interacțiunea lor chimică. Acest proces se numește hidrogenare și stă la baza multor etape de rafinare și producție a petrolului. combustibil lichid din cărbune (procesul Bergius). Producția de benzină pentru aviație și combustibil pentru motor din cărbune a fost dezvoltată în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, deoarece țara nu avea câmpuri petroliere. Procesul Bergius implică adăugarea directă de hidrogen în cărbune. Cărbunele este încălzit sub presiune în prezența hidrogenului pentru a produce un produs lichid, care este apoi procesat în benzină de aviație și combustibil pentru motor. Ca catalizator sunt utilizați oxidul de fier, precum și catalizatorii pe bază de staniu și molibden. În timpul războiului, 12 fabrici din Germania produceau aproximativ 1.400 de tone de combustibil lichid pe zi folosind procesul Bergius. Un alt proces, Fischer-Tropsch, constă din două etape. În primul rând, cărbunele este gazeificat, adică reacţionează cu vapori de apă şi oxigen pentru a produce un amestec de hidrogen şi oxizi de carbon. Acest amestec este transformat în combustibil lichid folosind catalizatori care conțin fier sau cobalt. Odată cu sfârșitul războiului, producția de combustibil sintetic din cărbune în Germania a fost întreruptă. Ca urmare a creșterii prețului petrolului care a urmat embargoului petrolului din 1973-1974, au fost depuse eforturi viguroase pentru a dezvolta o metodă eficientă din punct de vedere al costurilor de producere a benzinei din cărbune. Astfel, lichefierea directă a cărbunelui poate fi realizată mai eficient utilizând un proces în două etape în care cărbunele este mai întâi contactat cu un catalizator de aluminiu-cobalt-molibden la o temperatură relativ scăzută și apoi la o temperatură mai ridicată. Costul unei astfel de benzine sintetice este mai mare decât cel obținut din petrol.

Cataliza acidă[editează | editați textul wiki]

Activitate catalitică clasa mare catalizatorii este determinată de proprietățile lor acide. Potrivit lui J. Brønsted și T. Lowry, un acid este un compus capabil să doneze un proton. Acizii puternici își donează cu ușurință protonii bazelor. Conceptul de aciditate a primit dezvoltare ulterioarăîn lucrările lui G. Lewis, care a definit un acid ca fiind o substanță capabilă să accepte o pereche de electroni dintr-o substanță donor cu formarea unei legături covalente datorită partajării acestei perechi de electroni. Aceste idei, împreună cu ideile despre reacțiile care produc ioni de carbeniu, au ajutat la înțelegerea mecanismului unei varietăți de reacții catalitice, în special a celor care implică hidrocarburi.

Pe baza efectului lor asupra vitezei de reacție, multe surse de cataliză sunt împărțite în pozitive (viteza de reacție crește) și negative (viteza de reacție scade). În acest din urmă caz, are loc un proces de inhibiție, care nu poate fi considerat „cataliză negativă”, deoarece inhibitorul este consumat în timpul reacției.

Cataliza are loc omogenŞi eterogen(contact). În cataliza omogenă, catalizatorul se află în aceeași fază cu reactivii de reacție, în timp ce catalizatorii eterogene diferă ca fază.

Cataliza omogenă[editează | editați textul wiki]

Un exemplu de cataliză omogenă este descompunerea peroxidului de hidrogen în prezența ionilor de iod. Reacția are loc în două etape:

H2O2 + I → H2O + IO

H 2 O 2 + IO → H 2 O + O 2 + I

In cataliza omogena actiunea catalizatorului se datoreaza faptului ca acesta interactioneaza cu substantele care reactioneaza pentru a forma compusi intermediari, ceea ce duce la scaderea energiei de activare.

Cataliza eterogenă[editează | editați textul wiki]

În cataliza eterogenă, accelerarea procesului are loc de obicei pe suprafața unui corp solid - catalizatorul, prin urmare activitatea catalizatorului depinde de dimensiunea și proprietățile suprafeței sale. În practică, catalizatorul este de obicei sprijinit pe un suport solid poros.

Mecanismul catalizei eterogene este mai complex decât cel al catalizei omogene. Mecanismul catalizei eterogene include cinci etape, toate fiind reversibile.

1. Difuzia reactanților la suprafața unui solid

2. Adsorbția fizică pe centrii activi ai suprafeței unei substanțe solide a moleculelor care reacţionează și apoi chimisorbția lor

3. Reacția chimică între moleculele care reacţionează

4. Desorbția produselor de pe suprafața catalizatorului

5. Difuzia produsului de pe suprafața catalizatorului în fluxul general

Un exemplu de cataliza heterogenă este oxidarea SO 2 la SO 3 pe un catalizator V 2 O 5 în producerea acidului sulfuric (metoda de contact).

Cursul reacției pe suprafața catalizatorului poate fi demonstrat printr-un experiment în care o placă de platină este încălzită în flacăra unui arzător cu gaz, apoi flacăra este stinsă și un curent de gaz din arzător este eliberat pe placă, iar placa devine din nou roșie - oxidarea metanului are loc pe suprafața metalului.

Agenție federală prin educație

Instituție de învățământ de stat

studii profesionale superioare

„UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ TOMSK”

Facultatea de Tehnologie Chimică

Procese și aparate de producție chimică

Departament tehnologie chimică combustibil

„Producție industrială de catalizatori”

Interpret: Afanasyeva Yu.I.

supraveghetor:

Asistentul Chekantsev N.V.

Tomsk – 2010

Producția de catalizator

Calitatea catalizatorilor determină principalii indicatori ai producției chimice folosind mase de contact: randamentul produsului, intensitatea procesului, durata de funcționare continuă a reactoarelor. În același timp, costurile catalizatorului, de regulă, reprezintă doar o fracțiune de procent din costul produsului de producție țintă. Prin urmare, caracteristica lor definitorie este activitatea și stabilitatea în muncă. La studierea și dezvoltarea tehnologiei catalizatorilor, este necesar să se ia în considerare toate etapele succesive de producție din punctul de vedere al influenței lor asupra activității și stabilității catalizatorilor în funcțiune.

Dispoziții de bază

Producția de catalizatori include următoarele etape principale:

Obținerea materialului solid de pornire: în timpul producerii de Al203, un gel izolat din soluție, de exemplu Al(OH)3; la fabricarea catalizatorilor de oxizi și metale - săruri acide (nitrați, carbonați, acetați etc.).

Izolarea catalizatorului sub forma unei faze în vrac independente. Substanțele în exces sunt îndepărtate din materialul sursă.

Modificări ale compoziției catalizatorului la interacțiunea cu reactivii și sub influența condițiilor de reacție.

Materiile prime de pornire sunt de obicei săruri ale metalelor active catalitic, soluri, oxizi și minerale naturale. Alegerea materiilor prime este determinată de compoziția catalizatorului, conținutul de impurități și prețul acestuia.

Cerințe pentru materii prime: constanța compozițiilor chimice și de fază, absența impurităților nocive, dimensiunea necesară a particulelor, umiditatea necesară, costuri posibil mai mici.

Metode de formare a catalizatorilor și purtătorilor: coagulare în picătură, extrudare, tabletare, împrăștiere pastă, granulare, uscare prin pulverizare, măcinare a materialului. Formarea materialului prin coagularea picăturilor și uscarea prin pulverizare este utilizată pe scară largă la fabricarea catalizatorilor precipitați. Cele mai universale metode sunt extrudarea pastei și tabletarea.

În extrudare, reziduul umed este stors sub formă de cordon dintr-un șurub care funcționează continuu sau presa hidraulica. Forma și dimensiunea transversală a granulelor sunt determinate de orificiile din capul de formare al presei. La ieșirea din cap, cablul de masă de contact este tăiat cu un cuțit rotativ sau cu o sfoară tensionată, iar cilindrii rezultați sunt ridicați de o bandă transportoare.

Tablerea se realizează sub presiune de până la 30 MPa, granulele se obțin sub formă de cilindri, inele, șei, stele etc. Ca materiale de legare se folosesc talc, grafit, sticlă lichidă, unii acizi organici și alte substanțe.

Ungerea pastei în găurile unei plăci de oțel perforate este posibilă pentru granularea sedimentelor de diferite naturi și consistențe. Mărimea granulelor rezultate este determinată de grosimea plăcii și diametrul găurilor. După uscare, granulele sunt scoase din placă cu o ștampilă specială sau stoarse cu aer comprimat.

Măcinarea catalizatorilor monolitici se realizează în concasoare, iar fracția este separată pe site vibrante sau în separatoare cu tambur. În acest caz, particulele au o formă neregulată, se observă o cantitate mare de deșeuri sub formă de fine și praf, dar gama granulelor rezultate poate fi foarte largă.

Granularea este utilizată în principal la fabricarea maselor de contact prin amestecarea mecanică a componentelor.

Metodele de formare afectează suprafața specifică și structura poroasă a maselor de contact, determină rezistența mecanică a granulelor, permițându-vă să obțineți foarte materiale rezistente(în timpul coagulării într-o picătură, uscare într-un uscător cu pulverizare) și cu rezistență scăzută (în timpul tabletării, extrudarii și măcinarii).

Metoda de preparare determină gradul de dispersie a componentei catalitice, forma, structura poroasă și activitatea masei de contact.

Un anumit tip de structură poroasă și o suprafață specifică sunt obținute prin diferite metode, în funcție de natura catalizatorului care este fabricat. În masele de contact precipitate, aceasta depinde în mare măsură de condițiile de depunere (pH mediu, concentrația soluțiilor inițiale, temperatură, viteza de depunere, timpul de maturare a precipitațiilor), spălarea și tratamentul termic. Catalizatorii obținuți prin impregnarea unui suport poros cu componente active își păstrează în principal structura secundară. La amestecarea uscată a componentelor, porozitatea este determinată în mare măsură de metoda de turnare, de gradul de măcinare a amestecului inițial și de adăugarea de substanțe speciale.

Rezistenta mecanica granulele se realizează prin metoda de turnare și condițiile de tratament termic. O creștere a rezistenței este facilitată de sinterizarea cristalitelor primare, cimentarea particulelor sub influența aditivilor speciali și utilizarea de purtători rezistenti la uzură.

Catalizatorii destinati utilizării într-un pat fluidizat se obțin în principal prin depunerea componentelor active pe suporturi durabile sau prin topirea componentelor originale. Dintre masele de contact precipitate, cele mai potrivite pentru utilizare în condiții de cântărire sunt aluminosilicații, gelurile de aluminiu și gelurile de silice, în timpul preparării cărora gelul se coagulează în granule sferice puternice, netede.

Mase de contact precipitate

Aproximativ 80% din catalizatori și suporturi sunt obținute prin metoda coprecipitării. Vă permite să variați structura poroasă și suprafața internă într-o gamă largă. Dezavantajul este un consum semnificativ de reactivi și o cantitate mare de apă uzată. În funcție de natura sedimentului, masele de contact sunt împărțite în sare, acid și oxid.

Un exemplu de catalizatori de oxizi sunt contactele oxidului de fier cu diverși promotori utilizați în conversia monoxidului de carbon cu vapori de apă. Diferite geluri de silice, aluminosilicați și aluminosilicați utilizați pentru cracare, hidratare, deshidratare, alchilare și izomerizare a hidrocarburilor sunt clasificate ca catalizatori acizi. În procesul de preparare a acestora, când soluțiile corespunzătoare sunt scurse, precipită acid silicic sau aluminosiliciu și hidroxid de aluminiu. Formarea catalizatorilor de sare este însoțită de precipitarea sării, din cauza căreia compoziția se poate modifica în operațiunile tehnologice ulterioare.

Schema tehnologică generală

Figura 1 prezintă pregătirea maselor de contact depuse. Procedura de pregătire specificată poate varia în fiecare caz specific, iar operațiunile individuale pot fi combinate sau absente.

Figura 1 – Prepararea catalizatorilor folosind metode de turnare uscată (A) și umedă (B).

Dizolvare. La producerea catalizatorilor precipitați se dizolvă compuși solizi practic puri (de obicei săruri în apă), al căror transfer în soluție permite accelerarea reacțiilor chimice ulterioare.

Catalizatorii de oxizi se obțin din soluții concentrate ale sărurilor corespunzătoare (nitrați, acetați, oxalați etc.). Pentru a prepara soluții de substanțe inițiale, fie se folosesc săruri cristaline gata preparate, fie oxizii, hidroxizii și carbonații corespunzători sunt dizolvați în acizi sau alcalii.

Când sarea interacționează cu apa, are loc hidratarea, ducând la formarea unui cation hidratat, care este hidrolizat în continuare conform schemei (1):

Produșii de hidroliză polimerizează în complecși - [Me(OH)m]np+, unde n depinde de condițiile de hidroliză și de natura metalului și poate varia în limite largi. Adâncimea de hidroliză a substanțelor inițiale afectează proprietăți fizice precipitații și proprietățile catalizatorului.

Agitarea vă permite să distribuiți uniform particulele solide în faza lichidă și să accelerați dizolvarea. Odată cu creșterea temperaturii, transferul de masă și solubilitatea în apă cresc, iar viteza de dizolvare (cloruri, nitrați, săruri de amoniu) crește. Dizolvarea mai rapidă este facilitată prin măcinarea materiei prime.

Dizolvarea se efectuează în reactoare cu agitare, în malaxoare în contracurent cu mișcare mecanică a materialului solid spre curgerea solventului.

Precipitare. Procesul de formare a fazei solide la fuziunea soluțiilor componentelor inițiale. Tranziția unei substanțe dizolvate la un precipitat are loc prin formarea de nuclee în fază solidă și creșterea cristalelor sau mărirea particulelor asemănătoare gelului cu precipitarea lor simultană. Formele catalitic active sunt stări instabile termodinamic ale unei substanțe. Cristalizarea se accelerează odată cu scăderea temperaturii.

Numărul de nuclee (centri de cristalizare) n este legat de gradul de suprasaturare prin relația (2):

unde A este coeficientul de proporționalitate; C este concentrația soluției, Cp este concentrația soluției saturate.

Cu cât suprasaturația C/Cp este mai mare, cu atât se formează mai mulți centri de cristalizare și precipitatul este mai mic și mai activ. Pentru a crește numărul de embrioni, trebuie utilizate soluții stoc concentrate. O creștere a temperaturii și pH-ului mediului, precum și o creștere a tăriei ionice a soluției, contribuie la scăderea n. Viteza de formare a nucleației depinde și de acțiunea mecanică asupra soluției (agitare, expunere la câmpuri electrice și magnetice etc.).

Hidrogenarea

Un număr mare de reacții catalitice sunt asociate cu activarea unui atom de hidrogen și a unei alte molecule, ducând la interacțiunea lor chimică. Acest proces se numește hidrogenare și stă la baza multor etape ale rafinării petrolului și producției de combustibili lichizi din cărbune (procesul Bergius). Producția de benzină pentru aviație și combustibil pentru motor din cărbune a fost dezvoltată în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, deoarece țara nu avea câmpuri petroliere. Procesul Bergius implică adăugarea directă de hidrogen în cărbune. Cărbunele este încălzit sub presiune în prezența hidrogenului pentru a produce un produs lichid, care este apoi procesat în benzină de aviație și combustibil pentru motor. Ca catalizator sunt utilizați oxidul de fier, precum și catalizatorii pe bază de staniu și molibden. În timpul războiului, 12 fabrici din Germania produceau aproximativ 1.400 de tone de combustibil lichid pe zi folosind procesul Bergius. Un alt proces, Fischer-Tropsch, constă din două etape. În primul rând, cărbunele este gazeificat, adică reacţionează cu vapori de apă şi oxigen pentru a produce un amestec de hidrogen şi oxizi de carbon. Acest amestec este transformat în combustibil lichid folosind catalizatori care conțin fier sau cobalt. Odată cu sfârșitul războiului, producția de combustibil sintetic din cărbune în Germania a fost întreruptă. Ca urmare a creșterii prețurilor petrolului ca urmare a embargoului petrolului din 1973-1974, au fost depuse eforturi puternice pentru a dezvolta o metodă eficientă din punct de vedere al costurilor de producere a benzinei din cărbune. Astfel, lichefierea directă a cărbunelui poate fi realizată mai eficient utilizând un proces în două etape în care cărbunele este mai întâi contactat cu un catalizator de aluminiu-cobalt-molibden la o temperatură relativ scăzută și apoi la o temperatură mai ridicată. Costul unei astfel de benzine sintetice este mai mare decât cel obținut din petrol.

Cataliza acidă

Activitatea catalitică a unei clase mari de catalizatori este determinată de proprietățile lor acide. Potrivit lui J. Brønsted și T. Lowry, un acid este un compus capabil să doneze un proton. Acizii puternici își donează cu ușurință protonii bazelor. Conceptul de aciditate a fost dezvoltat în continuare în lucrările lui G. Lewis, care a definit acidul ca o substanță capabilă să accepte o pereche de electroni dintr-o substanță donatoare cu formarea unei legături covalente datorită partajării acestei perechi de electroni. Aceste idei, împreună cu ideile despre reacțiile care produc ioni de carbeniu, au ajutat la înțelegerea mecanismului unei varietăți de reacții catalitice, în special a celor care implică hidrocarburi.

Puterea unui acid poate fi determinată utilizând un set de baze care își schimbă culoarea atunci când se adaugă un proton. Se pare că unii catalizatori importanți din punct de vedere industrial se comportă ca acizi foarte puternici. Acestea includ un catalizator de proces Friedel-Crafts, cum ar fi HCI-AlCl2O3 (sau HAlCl4) și aluminosilicați. Puterea acidului este o caracteristică foarte importantă, deoarece viteza de protonare depinde de aceasta - etapă cheie proces de cataliză acidă.

Activitatea catalizatorilor precum aluminosilicații, utilizați în cracarea petrolului, este determinată de prezența acizilor Brønsted și Lewis pe suprafața acestora. Structura lor este similară cu structura silicei (dioxid de siliciu), în care unii dintre atomii de Si 4 + sunt înlocuiți cu atomi de Al 3 +. Excesul de sarcină negativă care apare în acest caz poate fi neutralizat de cationii corespunzători.

Activitatea catalizatorilor acizi este determinată de capacitatea lor de a reacționa cu hidrocarburile pentru a forma un ion carbeniu ca produs intermediar. Ionii de alchilcarbeniu conțin pozitiv

un atom de carbon încărcat legat de trei grupări alchil și/sau atomi de hidrogen. Ele joacă un rol important ca intermediari formați în multe reacții care implică compuși organici. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor acizi poate fi ilustrat prin exemplul reacției de izomerizare a n-butanului la izobutan în prezența HCI-AlCl3 sau Pt-Cl-Al2O3. În primul rând, o cantitate mică de olefină C4H8 se leagă de ionul de hidrogen încărcat pozitiv al catalizatorului acid pentru a forma un ion terțiar de carbeniu. Ionul hidrură încărcat negativ H- este apoi separat din n-butan pentru a forma izobutan și un ion secundar de butilcarbeniu. Acesta din urmă, ca urmare a rearanjarii, se transformă într-un ion terțiar de carbeniu. Acest lanț poate continua cu eliminarea unui ion hidrură din următoarea moleculă de n-butan etc.

Este semnificativ faptul că ionii terțiari de carbeniu sunt mai stabili decât cei primari sau secundari. Ca rezultat, ele sunt prezente în principal pe suprafața catalizatorului și, prin urmare, principalul produs al izomerizării butanului este izobutanul.

Catalizatorii acizi sunt utilizați pe scară largă în rafinarea petrolului - cracare, alchilare, polimerizare și izomerizare a hidrocarburilor. A fost stabilit mecanismul de acțiune al ionilor de carbeniu, care joacă rolul de catalizatori în aceste procese. Procedând astfel, ei participă la o varietate de reacții, inclusiv formarea de molecule mici prin scindarea celor mari, unirea moleculelor (olefină cu olefină sau olefină cu izoparafină), rearanjarea structurală prin izomerizare și formarea de parafine și aromatice. hidrocarburi prin transfer de hidrogen.

Una dintre cele mai recente aplicații ale catalizei acide în industrie este producerea de combustibili cu plumb prin adăugarea de alcooli la izobutilenă sau izoamilen. Adăugarea de compuși care conțin oxigen la benzină reduce concentrația de monoxid de carbon din gazele de eșapament. Metil terț-butil eterul (MTBE) cu un număr octanic de amestec de 109 face, de asemenea, posibilă obținerea combustibilului cu octan mare necesar pentru a funcționa un motor de automobile cu compresie ridicată fără a introduce plumb de tetraetil în benzină. A fost organizată și producția de combustibili cu cifre octanice 102 și 111.

Hidrogenarea uleiului vegetal

Una dintre cele mai importante reacții de hidrogenare din punct de vedere practic este hidrogenarea incompletă a uleiurilor vegetale la margarină, ulei de gătit și altele. produse alimentare. Uleiurile vegetale sunt obținute din boabe de soia, semințe de bumbac și alte culturi. Conțin esteri, și anume trigliceride ale acizilor grași cu diferite grade de nesaturare. Acidul oleic CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH are o legătură dublă C=C, acidul linoleic are două și acidul linolenic are trei. Adăugarea de hidrogen pentru a rupe această legătură previne oxidarea uleiurilor (râncezirea). Acest lucru crește punctul lor de topire. Duritatea majorității produselor rezultate depinde de gradul de hidrogenare. Hidrogenarea se realizează în prezența unei pulberi fine de nichel depuse pe un substrat sau pe un catalizator de nichel Raney într-o atmosferă de hidrogen înalt purificat.

Dehidrogenare

Dehidrogenarea este, de asemenea, o reacție catalitică importantă din punct de vedere industrial, deși amploarea aplicării sale este incomparabil mai mică. Cu ajutorul lui, de exemplu, se obține stirenul, un monomer important. Pentru a face acest lucru, etilbenzenul este dehidrogenat în prezența unui catalizator care conține oxid de fier; Reacția este, de asemenea, facilitată de potasiu și de un fel de stabilizator structural. Dehidrogenarea propanului, butanului și altor alcani se realizează la scară industrială. Dehidrogenarea butanului în prezența unui catalizator de crom-alumină produce butene și butadienă.

Amoniac

Unul dintre cele mai simple procese de hidrogenare din punct de vedere chimic este sinteza amoniacului din hidrogen și azot. Azotul este o substanță foarte inertă. Pentru pauză conexiuni N-N molecula sa necesită energie de aproximativ 200 kcal/mol. Cu toate acestea, azotul se leagă de suprafața catalizatorului de fier în stare atomică, iar acest lucru necesită doar 20 kcal/mol. Hidrogenul se leagă și mai ușor de fier.

Cataliza de bază

Activitatea catalizatorilor este determinată de proprietățile lor de bază. Un exemplu de lungă durată și bine-cunoscut de astfel de catalizatori este hidroxidul de sodiu, utilizat pentru hidroliza sau saponificarea grăsimilor în producția de săpun, iar unul dintre cele mai recente exemple sunt catalizatorii utilizați în producerea de materiale plastice și spume poliuretanice. Uretanul se formează prin reacția alcoolului cu izocianatul, iar această reacție este accelerată în prezența aminelor bazice. În timpul reacției, la atomul de carbon din molecula de izocianat se atașează o bază, în urma căreia apare o sarcină negativă asupra atomului de azot și crește activitatea acestuia față de alcool. Trietilendiamina este un catalizator deosebit de eficient. Materialele plastice poliuretanice sunt produse prin reacția diizocianaților cu polioli (polialcooli). Când izocianatul reacţionează cu apa, uretanul format anterior se descompune, eliberând CO 2 . Când un amestec de polialcooli și apă interacționează cu diizocianații, spuma poliuretanică rezultată se formează cu CO2 gazos.

Catalizatori cu dublă acțiune

Acești catalizatori accelerează două tipuri de reacții și produc rezultate mai bune decât trecerea reactanților în serie prin două reactoare, fiecare conținând un singur tip de catalizator. Acest lucru se datorează faptului că situsurile active ale unui catalizator cu dublă acțiune sunt foarte apropiate unele de altele, iar produsul intermediar format la unul dintre ele este transformat imediat în produsul final la celălalt. Rezultat bun dă combinația unui catalizator care activează hidrogenul cu un catalizator care favorizează izomerizarea hidrocarburilor. Activarea hidrogenului este efectuată de unele metale, iar izomerizarea hidrocarburilor de către acizi. Un catalizator eficient cu dublă acțiune utilizat în rafinarea petrolului pentru a transforma nafta în benzină este platina fin divizată pe suport de alumină acidă. Conversia constituenților naftei, cum ar fi me(MCP) în benzen, crește numărul octanic al benzinei. În primul rând, MCP este dehidrogenat pe partea de platină a catalizatorului într-o olefină cu același schelet de carbon; olefina trece apoi în porțiunea acidă a catalizatorului, unde izomerizează la ciclohexenă. Acesta din urmă trece în partea de platină și este dehidrogenat la benzen și hidrogen. Catalizatorii cu dublă acțiune accelerează semnificativ reformarea uleiului. Ele sunt utilizate pentru izomerizarea parafinelor normale în izoparafine. Acestea din urmă, care fierb la aceleași temperaturi ca fracțiile de benzină, sunt valoroase deoarece au un număr octanic mai mare în comparație cu hidrocarburile simple. În plus, conversia n-butanului în izobutan este însoțită de dehidrogenare, facilitând producerea de MTBE.

Polimerizare stereospecifică

O etapă importantă în istoria catalizei a fost descoperirea polimerizării catalitice a olefinelor cu formarea de polimeri stereoregulați. Catalizatorii de polimerizare stereospecifici au fost descoperiți de K. Ziegler când încerca să explice proprietățile neobișnuite ale polimerilor pe care i-a obținut. Un alt chimist, J. Natta, a sugerat că unicitatea polimerilor Ziegler este determinată de stereoregularitatea lor. Experimentele de difracție cu raze X au arătat că polimerii preparați din propilenă în prezența catalizatorilor Ziegler sunt foarte cristalini și au într-adevăr o structură stereoregulată. Pentru a descrie astfel de structuri ordonate, Natta a introdus termenii „izotactic” și „sindiotactic”. În cazul în care nu există ordine, se folosește termenul „atactic”.

O reacție stereospecifică are loc pe suprafața catalizatorilor solizi care conțin metale de tranziție din grupele IVA-VIII (cum ar fi Ti, V, Cr, Zr), care sunt într-o stare parțial oxidată și orice compus care conține carbon sau hidrogen, care este legat de metalul din grupele I-III. Un exemplu clasic de astfel de catalizator este precipitatul format prin interacțiunea dintre TiCl4 și Al(C2H5)3 în heptan, unde titanul este redus la starea trivalentă. Acest sistem excepțional de activ catalizează polimerizarea propilenei la temperaturi și presiuni normale.

Oxidarea catalitică

Utilizarea catalizatorilor pentru controlul chimiei proceselor de oxidare are o mare importanță științifică și practică. În unele cazuri, oxidarea trebuie să fie completă, de exemplu atunci când se neutralizează contaminanții cu CO și hidrocarburi din gazele de eșapament ale automobilelor. Cu toate acestea, mai des este necesar ca oxidarea să fie incompletă, de exemplu, în multe procese industriale utilizate pe scară largă pentru transformarea hidrocarburilor în produse intermediare valoroase care conțin grupe funcționale precum -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. În acest caz, se folosesc atât catalizatori omogene, cât și eterogene. Un exemplu de catalizator omogen este un complex de metal de tranziție care este utilizat pentru a oxida para-xilenul la acid tereftalic, ai cărui esteri formează baza pentru producerea fibrelor de poliester.

Producerea etilenei prin dehidrodimerizarea metanului

Sinteza etilenei prin dehidrodimerizare transformă gazul natural în hidrocarburi mai ușor transportabile. Reacţia 2CH4 + 2O2 > C2H4 + 2H20 este efectuată la 850°C utilizând diferiţi catalizatori; cele mai bune rezultate au fost obţinute cu catalizatorul Li-MgO. Probabil că reacția are loc prin formarea unui radical metil prin extracția unui atom de hidrogen dintr-o moleculă de metan. Eliminarea se realizează prin oxigen incomplet redus, de exemplu O2? 2. Radicalii metil din faza gazoasă se recombină pentru a forma o moleculă de etan și, în timpul dehidrogenării ulterioare, sunt transformați în etilenă. Un alt exemplu de oxidare incompletă este conversia metanolului în formaldehidă în prezența unui catalizator de argint sau fier-molibden.

Catalizatori pentru oxidarea eterogenă

Acești catalizatori sunt de obicei oxizi solizi complecși. Oxidarea catalitică are loc în două etape. În primul rând, oxigenul din oxid este captat de o moleculă de hidrocarbură adsorbită pe suprafața oxidului. În acest caz, hidrocarbura este oxidată, iar oxidul este redus. Oxidul redus reacționează cu oxigenul și revine la starea inițială. Folosind un catalizator de vanadiu, anhidrida ftalica se obtine prin oxidarea incompleta a naftalinei sau butanului.

Trăsăturile remarcate ale fenomenelor de cataliză, și anume că catalizatorul accelerează transformările chimice fără a consuma energie și practic fără a consuma substanța catalizatoare în sine, fac din cataliza un mijloc extrem de valoros de realizare a transformărilor chimice în industrie.

Să ne oprim pe scurt doar asupra unor procese industriale catalitice. Deși fenomenele de cataliză sunt foarte răspândite în natură și oamenii au avut de-a face cu ele o lungă perioadă de timp, utilizarea pe scară largă a catalizei în industrie a început abia în secolul actual.

Procesele catalitice sunt folosite pentru a produce hidrogen, care servește ca materie primă pentru sinteza amoniacului și a unei serii de alte producții de tehnologie chimică. Cea mai ieftină sursă de hidrogen este gazul natural. Prima etapă a producerii hidrogenului presupune interacțiunea metanului cu vaporii de apă cu adăugarea parțială de oxigen sau aer la o temperatură de 1130-1270 K. Ca catalizator se folosește nichelul depus pe purtători rezistenti la căldură.

Ca rezultat al acestei reacții, împreună cu hidrogenul, se formează o cantitate semnificativă de monoxid de carbon. Prin reacția monoxidului de carbon cu vaporii de apă la temperaturi mai scăzute folosind catalizatori de oxid, este posibilă oxidarea CO la CO2, care produce hidrogen. Până de curând, Fe3O4 cu aditivi de oxid de crom a fost folosit ca catalizator pentru această reacție. Un astfel de catalizator este suficient de activ numai la temperaturi peste 670 K. La această temperatură, echilibrul reacției este

chiar și cu un exces de vapori de apă, este deplasat semnificativ spre stânga, iar amestecul final de reacție conține o cantitate semnificativă de monoxid de carbon, a cărui prezență reduce brusc activitatea catalizatorilor de sinteză a amoniacului. Pentru a îndepărta CO rezidual, a fost necesar să se utilizeze spălarea complexă a amestecului de gaz cu o soluție de amoniac de Cu2O sub presiune.

Pentru ultimii ani s-au găsit noi catalizatori pentru interacțiunea monoxidului de carbon cu vaporii de apă, care conțineau cupru sub formă de diverși spinel sau alți compuși oxizi. Astfel de catalizatori furnizează de mare viteză conversia monoxidului de carbon deja la o temperatură de 450-560 K. Datorită acesteia, conținutul final de monoxid de carbon poate fi redus la zecimi de procent, iar operația complexă de spălare este înlocuită cu un proces mai simplu de transformare a reziduului de monoxid de carbon. în ceva inofensiv pentru catalizatori, inclusiv în sinteza amoniacului, metanului:

Acest proces este, de asemenea, realizat catalitic folosind catalizatori de nichel. Astfel, dezvoltarea unui catalizator mai activ a făcut posibilă simplificarea semnificativă a schemei tehnologice.

Un alt exemplu sunt procesele catalitice de rafinare a petrolului. În anii 1920, rafinarea petrolului se limita la rectificare și descompunere atunci când este încălzit la temperaturi ridicate, așa-numita cracare termică, fără utilizarea catalizatorilor. Abia la sfârșitul anilor 1930 au fost făcute primele încercări de a utiliza procese catalitice pentru rafinarea petrolului.

Inventatorul cracarei catalitice și inginerul francez Goudry, într-un raport la cel de-al II-lea Congres Internațional de Cataliză, a atras atenția asupra faptului că în recenzia Institutului American de Petrol despre starea și perspectivele industriei de rafinare a petrolului, publicată în 1935 , cuvântul „cataliza” nu a fost niciodată menționat, iar în decurs de câțiva ani, metodele catalitice au adus o transformare radicală a acestei industrii. Eficacitatea utilizării catalizei s-a dovedit a fi atât de semnificativă încât în ​​câțiva ani a avut loc o adevărată revoluție tehnică în industria de rafinare a petrolului, care, prin utilizarea catalizatorilor, a făcut posibilă creșterea dramatică atât a randamentului, cât și a calității. a combustibililor rezultați,

În prezent, peste 80% din petrol este procesat prin cracare catalitică, reformare, hidrogenoliză a compușilor cu sulf, hidrocracare și alte procese catalitice. În tabel Tabelul 2.1 prezintă cele mai importante procese catalitice moderne în rafinarea petrolului.

Cracarea catalitică a fost efectuată anterior la temperaturi de 670-770 K folosind aluminiu-siliciu sintetic și natural, siliciu-magneziu, aluminiu-siliciu-zirconiu și alți catalizatori de natură acidă. În ultimii ani, catalizatorii pe bază de zeoliți sintetici cristalini au primit o utilizare industrială pe scară largă. Activitatea acestor catalizatori, în special a celor care conțin oxizi ai elementelor pământurilor rare, este semnificativ mai mare decât cea a catalizatorilor aluminosilicați amorfi.

Utilizarea catalizatorilor permite nu numai creșterea ratei de formare a hidrocarburilor cu greutate moleculară mai mică, ci și creșterea randamentului fracțiilor valoroase în comparație cu cracarea termică.

Ca urmare a formării depunerilor asemănătoare cocsului, activitatea catalizatorilor în timpul cracării scade rapid, dar poate fi complet restabilită prin prăjire într-un mediu care conține oxigen.

Cracarea fluidizată a unui catalizator fin dispersat s-a dovedit deosebit de eficientă, permițând ca catalizatorul să fie ușor de circulat prin reactor și regenerator.

Cracarea catalitică este procesul catalitic industrial cu cel mai mare tonaj. Cu ajutorul acestuia, în prezent sunt procesate peste 300 de milioane de tone de petrol pe an, ceea ce necesită consumul anual de aproximativ 300 de mii de tone de catalizatori.

Ceva mai târziu, în anii 1950, reformarea catalitică a început să fie utilizată pe scară largă în industria de rafinare a petrolului. Anterior, acest proces se desfășura la o temperatură de 740-790 K și o presiune de 1,5-4 MPa, folosind în principal platina ca catalizator, depusă pe oxid de aluminiu tratat cu acid clorhidric pentru a crește proprietățile acide. În prezent, procesul se desfășoară la 0,8-1,5 MPa datorită utilizării de noi catalizatori polimetalici.

În timpul procesului de reformare, apar reacții: dehidrogenarea naftenelor în hidrocarburi aromatice, ciclizarea parafinelor și olefinelor și izomerizarea hidrocarburilor ciclice cu cinci membri în cele cu șase membri.

În prezent, reformarea catalitică este utilizată pentru a procesa peste 200 de milioane de tone de petrol pe an. Utilizarea acestuia a făcut posibilă nu numai îmbunătățirea calității combustibilului pentru motor, ci și producerea unor cantități semnificative de hidrocarburi aromatice pentru nevoile industria chimică.

Hidrogenul este un produs secundar valoros al reformării catalitice. Apariția hidrogenului ieftin a făcut posibilă utilizarea pe scară largă a hidrotratării catalitice a produselor petroliere care conțin sulf, eliberându-l sub formă de H2S. Diferiți catalizatori de hidrogenare pot fi utilizați în acest scop. Cei mai folosiți catalizatori sunt cei preparați din oxizi de cobalt și molibden sprijiniți pe oxid de aluminiu. În plus, aceleași compoziții catalitice, dar cu adăugarea de zeoliți, sunt catalizatori promițători.

Condițiile procesului depind de proprietățile materiei prime care se purifică, dar cel mai adesea se află în intervalul 600-680 K și 3-5 MPa. Aproximativ 300 de milioane de tone de produse petroliere sunt supuse hidrotratării anual. Acest proces face posibilă obținerea unor cantități semnificative de sulf, facilitează procesele catalitice ulterioare de rafinare a petrolului și, de asemenea, reduce poluarea atmosferică din gazele de eșapament la arderea combustibilului pentru motor.

ÎN în ultima vreme Procesul de hidrocracare, în care se desfășoară simultan reacțiile de cracare, izomerizare și hidrotratare, a primit o dezvoltare semnificativă. Utilizarea catalizatorilor permite realizarea acestui proces la 520-740 K, o presiune de aproximativ 5-15 MPa si obtinerea unui randament semnificativ de motorina cu indice cetanic ridicat. Catalizatorii utilizați sunt sulfură de wolfram, catalizatori mixți de sulfură de wolfram-nichel pe suporturi, catalizatori de cobalt-molibden pe oxid de aluminiu, cu adaos de Ni, Pt, Pd și alte metale pe zeoliți amorfi sau cristalini.

Pentru a îmbunătăți calitatea benzinei, se folosesc procese de izomerizare catalitică folosind catalizatori de platină și paladiu pe diferiți purtători.

Din cele de mai sus putem concluziona că metodele catalitice ocupă în prezent o poziție de lider în rafinarea petrolului. Datorită catalizei, valoarea produselor obținute din ulei a crescut de mai multe ori. Rețineți că această tendință continuă și astăzi. Datorită creșterii prețului petrolului, devine extrem de important să folosiți pe deplin toate componentele sale. Trebuie să presupunem că creșterea costului petrolului va continua, deoarece va trebui să trecem treptat la surse care pun mari dificultăți pentru exploatare. Prin urmare, este extrem de important să creștem gradul de extracție a produselor valoroase din petrol, ceea ce poate fi atins prin utilizarea mai largă a catalizatorilor avansați.

Trebuie să recunoaștem că adâncimea rafinării petrolului este încă mică, aceasta se datorează nu atât dificultăților tehnice, cât și balanței produselor petroliere, a căror pondere principală este combustibilul cazanelor. Din punct de vedere economic, cel puțin pe termen lung, acest lucru este neprofitabil. Este necesar să se mărească brusc ponderea proceselor catalitice secundare în rafinarea petrolului. Nevoia de combustibil lichid al cazanului trebuie compensată prin utilizarea cărbunelui.

O posibilitate mai promițătoare a metodelor catalitice în rafinarea petrolului este abandonarea transformării globale a tuturor compușilor complecși găsiți în uleiuri, ceea ce este caracteristic proceselor moderne. Astfel, toți compușii cu sulf sunt supuși hidrogenolizei cu eliberarea de hidrogen sulfurat. Între timp, multe dintre ele au o valoare independentă semnificativă. Același lucru este valabil și pentru compușii care conțin azot, complexul metalic și mulți alți compuși. Ar fi foarte important să se izoleze aceste substanțe sau să le supună transformărilor catalitice individuale pentru a obține produse valoroase. Un exemplu este producția de extractanți care conțin sulf, cum ar fi sulfoxizii și sulfonele formate în timpul oxidării catalitice a compușilor cu sulf conținute în uleiuri și combustibili pentru cazane. Nu există nicio îndoială că în acest fel cataliza va crește semnificativ eficiența rafinării petrolului.

Domeniul de aplicare al catalizei continuă să se extindă rapid și apar noi provocări importante pentru cercetători. Datorită creșterii puternice a costului petrolului, sunt în curs de dezvoltare ample pentru a obține combustibil lichid din cărbune. Baza este luată din vechile metode catalitice utilizate în Germania în timpul celui de-al Doilea Război Mondial (Fig. 2.1). Ceea ce este nou în metoda hidrogenării este extragerea materiei organice din cărbune pentru a obține ulei greu, care este apoi supus hidrogenării catalitice sub presiune. Foarte promițătoare sunt și metodele de sinteză a combustibilului lichid din gaz constând din monoxid de carbon și hidrogen obținut prin gazeificarea cărbunelui cu vapori de apă. Metoda Fischer-Tropsch este utilizată în prezent în Africa de Sud. Dezavantajul său este că benzina rezultată constă în principal din parafine normale, prin urmare are un număr octanic scăzut și necesită reciclare. Fracția de motorină, cu caracteristici bune de combustibil, are un punct de curgere ridicat, ceea ce împiedică utilizarea acesteia în condițiile țării noastre.

Mai interesantă este ruta de sinteza a hidrocarburilor, propusă inițial de compania americană Mobil, prin formarea metanolului și descompunerea ulterioară a acestuia pe un catalizator ce conține zeolit ​​ultra-high-silice. Sinteza metanolului se realizează la o presiune de 5-10 MPa pe un catalizator de oxid de cupru. Deshidratarea metanolului nu necesită presiune ridicată și trece prin dimetil eter pentru a forma olefine. Olefinele de pe același catalizator, ca rezultat al redistribuirii hidrogenului, formează un amestec de izoparafine și hidrocarburi aromatice. Randamentul fracției de benzină poate fi crescut la 60-70% cu un număr octanic de 90-95. Fracția de motorină în aceste condiții este de aproximativ 10% și are calitati bune după numărul de cetanic și punctul de turnare.

De asemenea, este posibil să se obțină hidrocarburi din gazul de sinteză, ocolind etapa de separare a metanolului. Gradul de conversie a gazului de sinteză în metanol este limitat de reversibilitatea reacției și în instalațiile moderne nu depășește 4% pe ciclu. Utilizarea catalizatorilor polifuncționali care realizează atât sinteza metanolului, cât și conversia acestuia în hidrocarburi poate crește semnificativ conversia pe ciclu și simplifica semnificativ procesul. Această metodă diferă pozitiv de procesul clasic Fischer-Tropsch prin calitatea benzinei rezultate și formarea foarte scăzută de metan, dar spre deosebire de procesul Mobil, necesită o presiune crescută - 3-5 MPa.

Metodele descrise pentru producerea hidrocarburilor atât prin metanol, cât și direct folosind catalizatori polifuncționali pot fi utilizate pentru a produce combustibil lichid din gaze naturale. Este recomandabil să se creeze astfel de instalații de producție în apropierea câmpurilor mari de gaze pentru a facilita transportul combustibilului, deoarece conductele pentru transportul combustibilului lichid sunt mult mai ieftine decât pentru transportul gazului. În plus, sunt utile pentru furnizarea de combustibil lichid în multe zone îndepărtate care au gaze, spre care transportul combustibilului lichid este dificil.

În următorii ani, utilizarea catalizatorilor solizi pentru arderea combustibilului va deveni, fără îndoială, pe scară largă. În prezent, combustibilul este ars în principal în cuptoare cu ardere la o temperatură de 1470-1870 K cu un randament termic scăzut. Este propusă o metodă pentru arderea combustibilului într-un reactor catalitic într-un pat fluidizat de catalizator cu îndepărtarea simultană a căldurii pentru scopurile necesare. Datorită prezenței unui catalizator, arderea combustibilului se desfășoară complet fără exces de aer la o temperatură destul de scăzută - 670-970 K. Intensitatea termică a volumului de reacție este mult mai mare decât în ​​cuptoarele cu ardere, ceea ce face posibilă reducerea dimensiunea și greutatea instalațiilor de mai multe ori. Temperatura redusă de ardere elimină formarea de oxid de azot nociv. Pe baza generatoarelor de căldură catalitice, pot fi create cazane de abur de dimensiuni mici, dispozitive pentru încălzirea apei, evaporarea fracțiilor de ulei în procesele de rafinare a petrolului. tratament termic, dispersia si activarea materialelor solide, uscare materiale pulbere, pentru uscarea prin adsorbție-contact a cerealelor, a produselor agricole și a materialelor sensibile la supraîncălzire și în alte scopuri.

O zonă largă de aplicare a catalizei este neutralizarea emisiilor industriale și de transport. Problema arderii catalitice a monoxidului de carbon și a majorității compușilor organici din emisiile de gaze a fost deja rezolvată în mod fiabil întreprinderile industriale. Problema reducerii catalitice a oxizilor de azot, inclusiv reducerea selectivă cu amoniac în amestecuri care conțin oxigen, a fost rezolvată în mod fundamental.

În esență sarcină mai dificilă neutralizarea gazelor de evacuare a vehiculelor datorită diferenței de condiții necesare pentru reducerea oxizilor de azot și oxidarea completă a compușilor organici și a monoxidului de carbon. Dificultăți semnificative sunt create de variabilitatea compoziției gazelor de eșapament, în funcție de condițiile de funcționare ale vehiculelor. Cu toate acestea, au fost dezvoltate purificatoare catalitice care pot elimina aproape complet monoxidul de carbon și compușii organici din gazele de eșapament și pot reduce semnificativ concentrația de oxizi de azot.

O sarcină și mai dificilă este tratarea catalitică a apelor uzate. Recent, s-a putut obține anumite succese în tratarea apelor uzate din unele industrii din fenoli, compuși ai sulfului și alte componente nocive prin utilizarea unor complexe de unele metale de tranziție, precum și catalizatori complecși montați pe suporturi.

Metodele catalitice vor primi, de asemenea, o dezvoltare semnificativă în rezolvarea problemei alimentare. Pe lângă producția de îngrășăminte, cataliza va juca un rol semnificativ în producerea de aminoacizi esențiali pentru îmbunătățirea hranei pentru animale, erbicide, insectofungicide și alte medicamente necesare producției vegetale. Cataliza este cea mai importantă metodă implementarea transformărilor chimice în industrie. În prezent, aproximativ 80% din toate produsele chimice sunt produse prin metoda catalitică. Această pondere crește rapid odată cu complexitatea transformărilor chimice stăpânite de industrie. Dintre industriile noi, ponderea proceselor catalitice depășește 90%. Progresul industriilor chimice și a altor industrii depinde în mare măsură de dezvoltarea catalizei. Implementarea multor procese termodinamic posibile si profitabile economic, obtinerea de noi produse, implementarea celor mai avansate scheme tehnologice, utilizarea materiilor prime disponibile sunt toate sarcini promițătoare pentru găsirea de catalizatori noi și îmbunătățirea deja utilizați.

Exemplele menționate acoperă o fracțiune foarte mică din procesele catalitice utilizate în industrie. Cu toate acestea, unele concluzii generale decurg în mod clar din acestea.

1. Cataliza face posibilă intensificarea transformărilor chimice, inclusiv a reacțiilor care nu se desfășoară la o viteză vizibilă fără catalizator.

Catalizatorii fac posibilă direcționarea unei transformări chimice către formarea unui produs specific, dorit dintr-un număr de produse posibile.

În reacțiile care conduc la formarea de produse cu greutate moleculară mare, prin variarea proprietăților catalizatorilor, este posibil să se regleze structura substanței rezultate și, prin urmare, proprietățile materialelor finale.

Cataliza este un fenomen specific. Nu există substanțe care să aibă proprietăți catalitice în forma lor generală. Fiecare reacție trebuie să folosească propriul catalizator specific.

În industria chimică și industriile conexe (petrochimie etc.), peste 90% din tehnologiile existente și nou introduse reprezintă procese catalitice. Zeci de mii de produse anorganice și organice sunt produse folosind catalizatori, inclusiv amoniac, acizi azotic și sulfuric, metanol, butadienă, stiren etc. metode promițătoare producția de combustibili pentru motoare, tratarea apelor uzate și a emisiilor de gaze.

Majoritatea proceselor catalitice pot fi organizate ca fiind continue, fără deșeuri și cu energie scăzută. Ele se disting prin indicatori tehnici și economici înalți și oferă un randament ridicat al produsului țintă. Utilizarea catalizatorilor face posibilă intensificarea proceselor tehnologice chimice și realizarea unor transformări care nu pot fi realizate în practică fără catalizator din cauza foarte multor energie mare activare, direcționează procesul în direcția corectă, reglează structura și proprietățile produselor produse (de exemplu, catalizatori stereospecifici în producția de cauciucuri sintetice și materiale plastice). De o importanță deosebită este utilizarea catalizatorilor în procese exoterme reversibile, în care creșterea temperaturii pentru a accelera reacția reduce brusc gradul de conversie de echilibru și face ca reacția să fie nerezolvată termodinamic. În astfel de procese, rolul catalizatorilor este primordial.

Spre deosebire de alți factori care intensifică un proces chimic, un catalizator afectează doar viteza unei reacții chimice și nu afectează termodinamica, accelerând doar atingerea unei stări de echilibru.

Un catalizator este o substanță care modifică viteza unei reacții chimice și rămâne neschimbată la sfârșitul reacției. În acest caz, catalizatorul nu accelerează procesele de difuzie și afectează doar rata proceselor care au loc în regiunea cinetică.

Procesele catalitice sunt împărțite în:

• omogen, în care reactanții și catalizatorul formează o fază;
• eterogen, în care reactanții și catalizatorul sunt în faze diferite;
• microeterogene, care apar în faza lichidă cu participarea catalizatorilor în stare coloidală;
• enzimatic, care apar în sistemele biologice sub influența enzimelor.

În industria chimică, cele mai frecvente sunt procesele catalitice eterogene, în care interfața de fază este suprafața unui catalizator solid în contact cu o fază gazoasă sau lichidă.

Reacțiile chimice de pe suprafața unui catalizator sunt un proces complex constând din mai multe etape elementare care apar secvenţial, care diferă ca natură chimică și fizică:

• difuzia reactivilor de la fluxul la suprafata granulelor de catalizator (etapa de difuzie externa);
• difuzia moleculelor de reactiv în interiorul porilor catalizatorului (etapa de difuzie internă);
• absorbția moleculelor de reactiv pe suprafața catalizatorului, care are loc sub formă de absorbție fizică sau chimiosorbție (absorbție activată); etapa de chemisorbție constă în formarea unui complex activat dintr-un reactiv și un catalizator și determină specificitatea acțiunii catalizatorului în reacțiile catalitice;
• reacție chimică de suprafață ca urmare a rearanjarii complexului activat sau a interacțiunii moleculelor unui reactiv adsorbit cu moleculele altuia;
• desorbția produșilor de reacție rezultați de pe suprafața catalizatorului;
• difuzia produselor din porii catalizatorului la suprafața sa exterioară (difuzie internă inversă);
• difuzia produselor de la suprafața catalizatorului în flux.

În procesele tehnologice chimice nu se folosesc substanțe individuale active catalitic, ci masele de contact, reprezentând sisteme complexe, a căror compoziție și natura componentelor trebuie să asigure cea mai eficientă și stabilă apariție a procesului catalitic. Masa de contact constă dintr-o substanță activă catalitic (catalizator), un activator și un purtător.

Natura catalizatorilor eterogene este foarte diversă și depinde de tipul de reacții catalizate. Catalizatorii utilizați sunt în principal metale libere (platină, argint, cupru, fier) ​​și oxizi metalici (zinc, crom, aluminiu, molibden, vanadiu). În cazurile în care în sistem apar simultan două reacții catalizate de substanțe diferite, se folosesc catalizatori bifuncționali formați din două componente corespunzătoare (de exemplu, oxid de zinc și oxid de aluminiu în procesul de deshidratare și dehidrogenare a etanolului în butadienă).

Activator (promotor)- numită substanță introdusă în masa de contact pentru a crește activitatea catalizatorului și a crește durata de viață a acestuia. Activatorii au un efect selectiv, astfel încât natura lor depinde de natura catalizatorului.

Purtător (centrală)- este un material pe care se aplica un catalizator pentru a-si mari suprafata, a da masei o structura poroasa, a ii creste rezistenta mecanica si a reduce costul masei de contact. Pielea ponce, azbest, silicagel, kieselguhr și ceramica poroasă sunt folosite ca purtători în masele de contact.

Masele de contact sunt produse prin următoarele metode:

• precipitarea hidroxizilor și carbonaților din soluții de sare cu formare și calcinare ulterioară;
• presarea îmbinată a unui amestec de componente cu un liant;
• fuziunea componentelor;
• impregnarea purtătorului poros cu soluții de catalizator și activator.

Masele de contact se formează sub formă de granule, tablete sau elemente de diferite configurații. Catalizatorii metalici sunt fabricați și utilizați sub formă de ochiuri fine.

2. Caracteristicile tehnologice ale catalizatorilor solizi

Eficiența utilizării catalizatorilor în procesele catalitice eterogene industriale depinde în mod semnificativ de acestea caracteristicile tehnologice. Acestea includ: activitatea, temperatura de aprindere, selectivitatea acțiunii, rezistența la otrăvuri, porozitatea, rezistența mecanică, conductibilitatea termică, disponibilitatea și costul redus.

1. Activitatea catalizatorului (A)- o măsură a efectului său de accelerare în raport cu o reacție chimică dată. Este definit ca raportul dintre constantele vitezei reacțiilor catalitice și necatalitice:

Pentru acele cazuri în care reacțiile catalitice și necatalitice sunt de aceeași ordine și, prin urmare, coeficienții pre-exponențiali din ecuația lui Arrhenius sunt egali (a 1 = a 2), activitatea catalizatorului va fi determinată din (1) ca:

Prin reducerea energiei de activare a reacției, catalizatorul o accelerează cu multe ordine de mărime. Deci, de exemplu, pentru reacție:

activitatea catalizatorului de vanadiu folosit în acesta, adică viteza de reacție crește de sute de miliarde de ori.

În cele mai multe cazuri, catalizatorul reduce, de asemenea, ordinea reacției, cu atât mai puternic cu atât activitatea sa este mai mare. Deci, de exemplu, dacă ordinea reacției de mai sus fără catalizator este 3, atunci în prezența unui catalizator de vanadiu este doar 1,8.

2. Temperatura de aprindere a catalizatorului T 3- temperatura minimă la care procesul începe să se desfășoare cu o viteză suficientă pentru scopuri tehnologice. Cu cât activitatea catalizatorului este mai mare, cu atât temperatura sa de aprindere este mai mică, adică:

La o temperatură scăzută de aprindere, intervalul de funcționare dintre T 3 și regimul de temperatură a procesului se extinde, proiectarea reactorului este simplificată, consumul de căldură pentru încălzirea reactanților este redus și regimul tehnologic este stabilizat. Pentru reacțiile catalitice exoterme, la o anumită valoare a lui T3, viteza de degajare a căldurii devine egală cu viteza de îndepărtare a căldurii (consumul de căldură pentru încălzirea amestecului de reacție și pierderea de căldură cu produsele de reacție). În acest caz, T3 reprezintă temperatura minimă la care se asigură procesul autotermic.

3. Selectivitate (selectivitate) catalizator - capacitatea sa de a accelera selectiv una dintre reacții dacă mai multe reacții sunt posibile termodinamic în sistem. Pentru o reacție paralelă complexă care procedează conform schemei:

și incluzând reacțiile A→B și A→C, care sunt caracterizate, respectiv, prin constantele de viteză k 1 și k 2 și energiile de activare E 1 și E 2, selectivitatea în direcția A → B va fi determinată astfel:

Din aceasta rezultă că la o anumită temperatură dată T este posibil, prin selectarea unui catalizator, să se modifice diferența E 2 - E 1 și, prin urmare, să se orienteze procesul spre formarea produsului țintă.

Selectivitatea catalizatorului este mare valoareîn procese tehnologice chimice precum oxidarea amoniacului în producerea acidului azotic, diverse procese sinteza organica. Folosind catalizatori, devine posibil să se obțină diverse produse țintă din materii prime comune, de exemplu:

Porozitatea unui catalizator caracterizează suprafața sa specifică și, prin urmare, afectează suprafața de contact a catalizatorului cu reactivii. Pentru procesele catalitice, accesibilitatea suprafeței unui catalizator solid pentru substanțele de reacție este de mare importanță, deoarece cu cât suprafața de contact este mai mare, cu atât este mai mare rata de conversie a acestora în produse țintă pe unitatea de timp pe același catalizator.

Porozitatea catalizatorului este exprimată prin raportul dintre volumul porilor liberi și volumul total al catalizatorului și este caracterizată prin suprafața sa specifică, adică suprafața pe unitate de masă sau volum a catalizatorului. Catalizatorii moderni au o suprafață specifică foarte dezvoltată, ajungând la 10-100 m2/g.

5. Rezistenta mecanica Masa de contact trebuie să fie astfel încât să nu se prăbușească sub influența propriei greutăți în dispozitivele cu pat de catalizator fix și să nu se uzeze în dispozitivele cu pat de catalizator mobil și dispozitive „KS”.

6. Rezistenta la otravurile de contact. Utilizarea practică a proceselor catalitice eterogene este împiedicată de fenomenul de scădere a activității catalizatorului în timpul procesului. Motivele pentru aceasta sunt:

• reducerea suprafeței active a catalizatorului atunci când pe acesta se depun praf sau produși de reacție;
• distrugerea mecanică a catalizatorului;
• otrăvirea catalizatorului cu otrăvuri catalitice (de contact).

Otrăvirea cu catalizator- pierderea parțială sau completă a activității sale sub influența unor cantități mici de anumite substanțe - otravurile de contact. Otrăvurile de contact formează compuși chimici de suprafață cu centrii activați ai catalizatorului și îi blochează, reducând activitatea catalizatorului. Pentru fiecare grup de catalizatori, există anumite tipuri de otrăvuri de contact.

Otrăvirea cu catalizator poate fi reversibil când otrăvurile de contact reduc temporar activitatea catalizatorului în timp ce acestea se află în zona catalitică și ireversibil când activitatea catalizatorului nu este restabilită după îndepărtarea otrăvurilor de contact din zona de cataliză. Otrăvurile de contact pot fi conținute în reactivii care intră în procesul catalitic și pot fi, de asemenea, formate ca produse secundare în procesul în sine. Rezistența la otravurile de contact este cea mai importantă proprietate a catalizatorilor industriali. Pentru a prelungi durata de viață a maselor de contact în procesele tehnologice chimice, este prevăzută o etapă de purificare minuțioasă a reactivilor de impuritățile dăunătoare și o operație de regenerare a catalizatorului (de exemplu, arderea unui film polimeric cu conținut ridicat de carbon care învelește boabele de catalizator în procesele de catalitic). cracare, produse petroliere, izomerizarea și dehidrogenarea compușilor organici).