Katalyzátory – Co jsou katalyzátory? Technická knihovna

Přibližně 90 % moderní chemické výroby je založeno na katalytických procesech.

Katalyzátory jsou látky, které mění rychlost chemické reakce a nejsou součástí finálních produktů.
Viz speciální projekt Neftegaz.RU „National Product: Domestic Catalysts“.

Katalyzátory poskytují energeticky méně bráněné reakční cesty, což umožňuje efektivní využití surovin.
Katalýza je urychlování chemických reakcí pod vlivem malého množství látek (katalyzátorů), které se samy během reakce nemění.
Jsou široce používány při rafinaci ropy, získávání různých produktů a vytváření nových materiálů (například plastů).
Přibližně 90 % moderní chemické výroby je založeno na katalytických procesech.
Katalyzátory umožňují přeměnit nekvalitní suroviny na produkty vysoké hodnoty.
Bez katalyzátorů není možné zajistit výrobu motorového paliva pro spalovací motory (ICE) ekologické normy Euro-5 a vyšší.
Například při katalytickém krakování, jednom z klíčových technologických procesů zvyšujících výtěžnost lehkých ropných produktů (zejména benzínu), je nejdůležitějším účinkem katalyzátoru štěpení velkých molekul uhlovodíků na menší s vysokým oktanovým číslem.

Hydrokrakování je zase proces výroby vysoce kvalitních petrolejových a naftových destilátů z těžkého plynového oleje vakuovou destilací a sekundárními procesy.
Umožňuje také získat vysoce kvalitní základový olejový základ, podobný výkonnostním charakteristikám jako syntetické.
Jinými slovy jde o katalytické krakování v přítomnosti vodíku – kde kombinace vodíku, katalyzátoru a vhodného režimu procesu umožňuje krakování nekvalitního lehkého plynového oleje pro dosažení vysoce kvalitních základů pro širokou škálu komerčních mazacích olejů .
Důležitou roli zde hrají katalyzátory: aktivně interagují s vodíkem, díky nim dochází k samotnému praskání a vzniku izoparafinů.

Hydrorafinace je nejrozsáhlejší katalytický proces při rafinaci ropy.
Proces hydrogenační rafinace snižuje obsah síry v palivu.
Účinnost hydrorafinace závisí na aktivitě katalyzátorů, teplotních podmínkách a kvalitě surovin.
A zvýšení účinnosti procesu vyžaduje použití nových typů katalyzátorů.

Požadavky na katalyzátory:

• konstantní vysoká katalytická aktivita,
• selektivita,
• mechanická síla,
• odolnost vůči teplu,
• odolnost vůči působení katalytických jedů,
• dlouhá pracovní doba,
• snadná regenerovatelnost,
• potřebné hydrodynamické vlastnosti,
• nízké náklady.

Selektivita se mění v důsledku změn elektronických vlastností a prostředí aktivních míst katalyzátoru (ligandový efekt).
Při reakcích komplexních organických molekul má velký význam přednostní tvorba produktu, který se tvarem a velikostí blíží velikosti mikropórů katalyzátoru.
Při komplexních vícestupňových reakcích se používají vícefázové vícesložkové katalyzátory, jejichž selektivita je vyšší díky tomu, že každý stupeň komplexní reakce je urychlován vlastní katalytickou složkou.
Selektivita katalyzátoru závisí také na jeho poréznosti, velikosti zrn a povaze jejich uspořádání.

Tepelná stabilita katalyzátorů je důležitá pro první vrstvy katalyzátorů po proudu při exotermických reakcích, kde uvolnění tepla může způsobit rekrystalizaci a deaktivaci katalyzátorů.
Aby se zabránilo rekrystalizaci, jsou katalyzátory aplikovány na tepelně odolné nosiče.

Odolnost katalyzátoru vůči působení katalytických jedů je určena specifiky jejich interakce s katalyzátorem.
Kovové katalyzátory jsou otráveny sloučeninami kyslíku (H₂O, CO), síra (H₂S, C.S.₂ atd.), N, P, As a další látky, které tvoří s katalyzátorem silnější chemickou vazbu než reagující látky.
Oxidové katalyzátory jsou ovlivněny stejnými jedy, ale oxidy jsou odolnější vůči otravě.
Při krakování, reformování a jiných uhlovodíkových reakcích jsou katalyzátory otráveny v důsledku toho, že jsou potaženy vrstvou koksu.
Kromě toho mohou být katalyzátory deaktivovány díky mechanickému pokrytí povrchu prachem, který je vnášen zvenčí nebo se tvoří během katalýzy.

Koksování katalyzátorem

Koksování katalyzátorů je proces, při kterém se povrch katalyzátoru pokryje usazeninami pryskyřičného koksu (RCD), což vede ke ztrátě jeho aktivity.
Aktivita katalyzátoru klesá s prodlužující se dobou jeho kontaktu se surovinou.
Díky povlaku RMSE získá katalyzátor tmavou barvu.
Aktivní centra katalyzátoru na povrchu koksu nerovnoměrně v důsledku rychlosti růstu usazenin koksu na středu převyšující rychlost iniciace tvorby koksu.
Složení výsledných ložisek koksu prochází tvorbou karboidu.
Nenasycené a polycyklické aromatické uhlovodíky, sloučeniny více ochuzené o vodík, jsou adsorbovány na povrchu katalyzátoru a kapalné a plynné produkty se více obohacují o vodík.
V důsledku vyčerpání vodíku se adsorbované produkty mění na koks.

Příprava katalyzátorů

Katalyzátory s vyvinutým specifickým povrchem se rozšířily pomocí metody srážení z vodných roztoků solí s následnou kalcinací výsledných sloučenin.
Tímto způsobem se připravuje mnoho oxidů kovů. V tomto případě je lepší použít vodný roztok NH₃, protože není potřeba omývat sediment od alkalických kovů.
Ochlazený katalyzátor se rozdrtí, prosévá a redukuje směsí dusíku a vodíku v syntézní koloně.
Pro získání správného geometrického tvaru zrn katalyzátoru se používají speciální formovací stroje.
Válcovité granule se získávají vytlačováním (vytlačováním) vlhké hmoty pomocí masivního šneku (šneku) skrz otvory požadovaného průměru, načež se vzniklý svazek rozřezává na jednotlivé válce, které
válcované do sférických granulí ve speciálních granulátorech.
Ploché válcovité tablety se vyrábějí lisováním suchého prášku na tabletovacích strojích.