Малая стоимость.

 

Основная характеристика катализатора – его каталитическая активность.

Правильная оценка каталитической активности необходима для сравнения различных катализаторов, условий ведения процесса.

 

Активность катализатора характеризует его способность превращать компоненты сырья в конечные продукты и, в известной степени, производительность процесса. Чем она выше, тем меньше катализатора необходимо для превращения определенного количества исходных веществ в продукты за единицу времени. Активность катализатора - свойство катализатора ускорять химическую реакцию.

 

Критерии оценки активности:

- степень превращения исходного вещества;

- выход продукта;

- остаточное содержание исходного вещества.

Высокая активность катализатора достигается определенным сочетанием химического и минералогического состава, а также его оптимальной пористой структурой. Активность твердого катализатора зависит не только от силы активных центров и их количества, но и от состояния его поверхности. Величину активности катализатора определяют в лабораторных условиях, где проводят изучаемый процесс при строго заданных параметрах. Активность катализатора по мере его эксплуатации снижается. Способность катализатора сохранять свои свойства под действием внешних факторов называется стабильностью. Чаще всего причинами снижения активности катализатора являются разрушение его структуры или дезактивация активных центров, которая наступает либо в результате отложения на них и в порах коксоподобных веществ, либо вследствие воздействия некоторых примесей, содержащихся в сырье и называемых каталитическими ядами. Активность катализатора может уменьшаться не только при отравлении, но и в результате изменения структурных характеристик, при механическом экранировании поверхности катализатора пылью или твердыми веществами, образующимися в процессе катализа (блокировка актив-

 

ных центров). Активность катализатора может снижаться при изменении пористой структуры под действием высоких температур (спекание).

Разрушение структуры катализатора, спекание его отдельных частиц и некоторые другие процессы могут быть вызваны жесткими условиями процесса, в частности, повышенной температурой, воздействием водяных паров и т.д.

 

Твердые катализаторы должны обладать большой поверхностью. Чем больше площадь

контакта фаз, тем выше вероятность протекания химических реакций. В связи с этим, практичес-

ки все твердые катализаторы представляют собой высокопористые вещества. Обычно общая (суммарная внутренняя и внешняя) поверхность катализатора относится к единице его массы и называется удельной поверхностью. В зависимости от типа пористого вещества и степени развития пористой структуры его удельная поверхность может изменяться от 10 до 1500 м²/г.

Наивысшая активность катализатора наблюдается при высоком соотношении объема каталитического вещества и объема носителя, малых размеров кристаллов активной фазы, малого размера и оптимальной пористости гранул катализатора.

Главным фактором, который приводит к спеканию, т.е. к снижению удельной поверхности катализатора, является рост кристаллов, происходящий в результате диффузионного влияния смежных более мелких кристаллитов. Простые твердые вещества, такие как металлы или их оксиды, быстро спекаются, если они находятся в форме очень мелких кристаллов (< 500 А°), особенно при температурах, превышающих половину их температуры плавления. В состав катализаторов включают также добавки, предотвращающие рекристаллизацию вследствие разъединения кристалликов катализаторов. Такова роль Al₂О₃ в составе железного катализатора синтеза NH₃.

 

Промоторы (активаторы) – добавки к катализатору небольшого количества других веществ, которые могут сами по себе быть каталитически неактивными в отношении данной реакции, но сильно повышают активность собственно катализатора. Некоторые добави могут повышать селективность катализатора, его термостойкость. То есть, промотирование – увеличение активности катализатора в присутствии веществ, которые сами не являются катализаторами данного процесса. Например, для катализируемой металлическим никелем реакции

СО + Н₂ ––> СН₄ + Н₂О

введение в никелевый катализатор небольшой примеси церия приводит к резкому возрастанию активности катализатора.

Структурные модификаторы стабилизируют желаемую, обычно пористую структуру

катализатора, которая без модификатора может быть нарушена в результате спекания. Такой является добавка Al₂O₃ к железному катализатору синтеза аммиака. Оксид алюминия препятствует рекристаллизации α-Fe в неактивные конгломераты.

 

Для максимально возможного выхода целевого продукта весьма большое значение имеет селективность катализатора.

Селективностью (или избирательностью) катализатора называют его способность уско

рять только одну или несколько из ряда термодинамически вероятных целевых химических ре-акций в данных условиях и для данных сырьевых компонентов. Благодаря этому можно, применяя различные катализаторы, из одних и тех же исходных веществ получать различные продукты:

[Cu]: СО + Н2 ––> СН3ОН	[Al2О3]: С2Н5ОН ––> С2Н4 + Н2О
[Ni]: СО + Н2 ––> СН4 + Н2О	[Cu]: С2Н5ОН ––> СН3СНО + Н2

 

 

Если катализатор ускоряет только одну целевую реакцию из нескольких возможных, это называется избирательным или селективным катализом. Селективный катализ позволяет проводить процесс при пониженной температуре, подавляя другие реакции. Из одних и тех же веществ можно получить различные продукты ввиду протекания нескольких параллельных реакций или последовательного превращения веществ. Например, процесс окисления аммиака. Возможны три параллельные рекции:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O + 1300 кДж (1)

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O + 1100 кДж (2)

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 900 кДж (3)

В присутствии платины реакция (3) протекает практически до конца, в то время как параллельные (1) и (2) подавляются.

Селективность зависит от состава реакционной смеси, температуры, давления, степени перемешивания реагентов и продуктов реакции.

 

Термостойкость катализатора в течение длительного времени при температурах эксплуатации имеет особенно большое значение для реакторов с неподвижным слоем, где температура неизбежно изменяется в значительных пределах. При высоких температурах в контактной массе могут происходит химические процессы рекристаллизации с образованием неактивных кристаллов, уменьшение их удельной поверхности, а также спекание. На процесс спекания значительное влияние оказывают перегревы, наблюдающиеся в промышленных аппаратах. Повышение мех. прочности катализаторов достигается применением спец. методов приготовления - таблетированием при высоких давлениях, применением инертных связующих (SiO₂, графит) и т.д

Термостойкость катализаторов особенно важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов. Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители. В процессах с большим тепловым эффектом применяют теплопроводные носители для устранения местных перегревов.

 

Прочность зерен катализатора должна обеспечивать его эксплуатацию в промышленном

реакторе в течение нескольких лет.

 

Температура зажигания – минимальная температура, при которой катализатор имеет активность, достаточную для автотермической работы в промышленных условиях при экзотермических реакциях.Она в значительной степени определяет ценность катализатора.