Общие сведения о катализаторах

Катализаторы – это вещества, возбуждающие химические реакции или ускоряющие их протекание, при этом остающиеся неизменными и не входящие в состав конечных продуктов. Они являются неотъемлемой частью любого каталитического процесса и позволяют снижать энергию активации химических реакций.

Подбором оптимального состава катализатора можно регулировать соотношение скоростей целевых и побочных реакций, добиваясь наибольшей эффективности процесса. Проведение реакций в присутствии катализаторов позволяет также существенно снизить температуру их протекания. Однако следует помнить, что, если с точки зрения термодинамики какая-либо реакция невозможна, то осуществить ее в присутствии катализаторов также нельзя. Под свойствами катализатора понимают селективность, активность, стабильность и характеристику его пористой структуры.

Селективностью (или избирательностью) катализатора называют его способность ускорять только одну или несколько из ряда термодинамически вероятных целевых химических реакций в данных условиях и для данных сырьевых компонентов.

А ктивность 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 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.

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.

Коксоподобные вещества накапливаются на поверхности частиц и в порах катализатора в результате протекания побочных реакций полимеризации, конденсации и уплотнения. Образовавшиеся крупные молекулы полиароматического строения, с одной стороны, прочно адсорбируются на активных центрах, а с другой, имея значительные размеры, превышающие диаметр микропор катализатора, не могут выйти из них. В результате они подвергаются дальнейшему уплотнению, покрывая всю поверхность катализатора и препятствуя протеканию адсорбции и химических превращений углеводородов сырья.

Действие каталитических ядов обусловлено их химическим взаимодействием с активными центрами или поверхностью пор катализатора. Для разных каталитических систем присущи свои каталитические яды. Так, катализаторы риформинга чувствительны к сернистым соединениям, которые химически взаимодействуют с металлической платиной. Кроме того, они достаточно быстро теряют свои свойства в присутствии азотсодержащих веществ и некоторых металлов (натрий, мышьяк и т.п.).

Восстановление активности катализатора называется его регенерацией. В зависимости от причин, вызвавших снижение активности, способы регенерации катализаторов могут быть различными. Кокс и коксоподобные вещества выжигают с поверхности частиц и пор катализатора в токе воздуха. Эта операция может осуществляться как непосредственно в реакторе, так и в специальном аппарате – регенераторе. При дезактивации катализатора каталитическими ядами возможно химическое восстановление его активности. Однако данное мероприятие на НПЗ практически не используют.

Твердые катализаторы должны обладать большой поверхностью. Чем больше площадь контакта фаз, тем выше вероятность протекания химических реакций. В связи с этим, практически 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.