Каталіз а тори, речовини. змінюють швидкість хімічних реакцій за допомогою багаторазового проміжного хімічної взаємодії з учасниками реакцій і не входять до складу кінцевих продуктів (див. Каталіз). Каталізатори повсюдно поширені в живій природі і широко використовуються в промисловості. Більше 70% всіх хімічних перетворень речовин. а серед нових виробництв більше 90% здійснюється за допомогою каталізаторів. Різні каталізатори. що випускаються промисловістю, класифікуються за типом каталізуються реакцій (кислотно-основні, окислювально-відновні); по групах каталітичних процесів або особливостям їх апаратурно-технологічного оформлення (наприклад, каталізатори синтезу аміаку. крекінгу нафтопродуктів. каталізатори для використання в псевдозрідженому шарі); за природою активної речовини (металеві, окисні, сульфідні, металоорганічні, комплексні і т.д.); за методами приготування. Деякі види каталізаторів. використовуваних в промисловості, наведені в табл. За допомогою білкових каталізаторів - ферментів - здійснюється обмін речовин у всіх живих організмів.
Процеси і їх особливості
Каталізатори і їх деякі характеристики
системи з щільним рухомим шаром
системи з псевдозрідженим шаром
Мікросферіческая каталізатор. розмір часток 0,08-0,2 мм
Нікель (5-25%) на термостійкому носії (зазвичай на основі окису алюмінію); цилиндри-
етичні гранули, кільця і кулі розміром 10-20 мм
Найважливішим властивістю каталізаторів є специфічність дії: кожна хімічна реакція або група однорідних реакцій може прискорюватися тільки цілком певними каталізаторами. Найбільш яскраво специфічність каталізаторів проявляється в тому, що вони можуть визначати напрямок реакції-з одних і тих самих вихідних речовин в залежності від виду каталізатора утворюються різні продукти. Наприклад, із суміші окису вуглецю і водню в присутності різних каталізаторів можна отримати метан. суміш рідких вуглеводнів. високомолекулярні тверді вуглеводні. суміші кисневмісних сполук різного складу, метиловий або ізобутіловий спирти та ін. продукти. Мірою специфічності каталізатора служить вибірковість (селективність); її оцінюють відношенням швидкості цільової реакції до загальної швидкості перетворення вихідних речовин у присутності даного каталізатора. Іншим важливим показником каталітичних властивостей речовин є каталітична активність. виражається у вигляді різниці швидкостей однієї і тієї ж реакції. виміряних при інших рівних умовах в присутності і під час відсутності каталізатора. Каталітичну активність відносять до одиниці маси, об'єму, концентрації або поверхні каталізатора. Активність. віднесену до 1 м 2 поверхні каталізатора. називають питомою каталітичною активністю. Якщо без каталізатора реакція практично не йде, за міру активності приймають швидкість реакції в певних умовах, віднесену до одиниці кількості даного каталізатора. Через специфічність каталізаторів порівнювати каталітичну активність речовин можна тільки по відношенню до однієї і тієї ж реакції. У прикладних дослідженнях активність каталізаторів часто висловлюють у вигляді продуктивності - кількості отриманого продукту (або прореагировавшего речовини) в одиницю часу на одиницю об'єму каталізатора. а вибірковість - у вигляді виходу цільового продукту по відношенню до теоретично можливої.
Поряд з активністю і вибірковістю іншої експлуатаційної характеристикою каталізаторів є стабільність, яка часто визначає доцільність промислового використання каталізаторів в тому чи іншому процесі. Промислові каталізатори з плином часу змінюються, знижуються їх активність і вибірковість в результаті різних побічних процесів, наприклад внаслідок взаємодії з домішками, які надходять із сировиною (так зване отруєння. См. Каталітичні отрути), спікання і перекристалізації речовини каталізатора під впливом підвищеної температури або реакційного середовища (старіння), відкладення смолистих речовин і коксу на поверхні каталізатора. адсорбционного зниження міцності (ефект Ребіндера). Тому після певного часу каталізатори. якщо це можливо, піддають спеціальній обробці (регенерації) або замінюють свіжими. Термін служби промислових каталізаторів при безперервних процесах в апаратах з нерухомим шаром каталізатора становить в середньому 6-36 міс. Найстабільніші каталізатори безперервно працюють понад 10 років (наприклад, ванадієві каталізатори для окислення CO2). Каталізатори. термін служби яких менше 1-2 міс. в реакторах з нерухомим шаром, як правило, не застосовуються. Для таких каталізаторів і каталізаторів. які працюють протягом коротких циклів з частою регенерацією (наприклад, алюмосилікатні каталізатори крекінгу. каталізатори дегідрірованія вуглеводнів), іноді виявляється ефективним застосування реакторів з рухомим, зокрема псевдозрідженим, шаром каталізатора.
При гомогенних каталітичних процесах в якості каталізаторів застосовуються певні хімічні сполуки або їх суміші; каталітичні властивості каталізаторів в цьому випадку цілком визначаються їх хімічним складом і будовою. У промисловості переважно використовуються гетерогенні каталітичні процеси з твердими каталізаторами у вигляді пористих зерен з розвиненою внутрішньою поверхнею. Каталітичні властивості твердих каталізаторів залежать, крім складу і будови, від величини їх внутрішньої поверхні і пористої структури. Необхідними етапами каталітичних процесів на твердих каталізаторах є перенесення реагуючих речовин. продуктів і тепла між потоком реакційної суміші і зовнішньою поверхнею зерен каталізатора (зовнішній перенесення) і перенесення речовин і тепла всередині пористих зерен каталізатора (внутрішній перенесення). Найчастіше на роботу промислових каталізаторів впливає внутрішній дифузний перенесення речовин. При недостатній його швидкості ступінь використання (ккд) каталізаторів зменшується і загальна інтенсивність процесу падає. Крім того, це може призводити до зменшення виходу нестійких проміжних продуктів, здатних до подальших перетворень на поверхні каталізаторів. які в багатьох випадках є цільовими (наприклад, в процесах неповного окислення вуглеводнів). Швидкість дифузійного переносу всередині зерен каталізатора визначається його пористою структурою. Якщо реагують речовини перебувають в газовій фазі, то для повільних реакцій доцільно застосовувати каталізатори з максимально розвиненою внутрішньою поверхнею і з порами діаметром близько 1. 10 -7 м, що забезпечують необхідну швидкість зустрічної дифузії молекул реагуючих речовин і продуктів. Для реакцій. протікають з середньою швидкістю (2-10 кмоль / год на 1 м 3 каталізатора), оптимальний діаметр пір при однороднопорістой структурі відповідає довжині вільного пробігу молекул. При атмосферному тиску він становить близько 1. 10 -7 м і в міру підвищення тиску зменшується. У багатьох випадках найбільш сприятливою виявляється розгалужена разнороднопорістая структура зерен, коли до великих транспортних порам прилягають дрібні пори, що створюють велику внутрішню поверхню. При атмосферному тиску перехід від зерен з однороднопорістой структурою до зернам з розгалуженою разнороднопорістой структурою дозволяє підвищити активність одиниці об'єму каталізатора в 3-9 разів. Розвиток уявлень про вплив пористої структури на активність і вибірковість каталізаторів. розробка методів дослідження питомої каталітичної активності та пористої структури і застосування обчислювальних машин для математичного моделювання складних процесів створило передумови для переходу від емпіричних до науково обгрунтованих методів розробки промислових каталізаторів.
Для приготування каталізаторів застосовують різні методи - осадження з розчинів. просочення, змішання (наприклад, в разі змішаних каталізаторів), сплав з подальшим вилуговуванням неактивної частини (скелетні каталізатори) і т.д. Багато каталізатори перед використанням піддають спеціальній обробці - активації, під час якої відбувається утворення активної речовини (наприклад, металу в високодисперсному стані в результаті відновлення оксидів) і формування пористої структури. З метою стабілізації високодисперсного стану або економії активна речовина (наприклад, платину) розподіляють на поверхні носія. В якості носіїв використовують різні речовини. стійкі в умовах процесу, наприклад окис алюмінію. силікагель. синтетичні і природні силікати. активоване вугілля та ін. Носії можуть впливати на каталітичні властивості, і для промислових каталізаторів вибір носія має велике значення.
Спостерігається тенденція переходу від однокомпонентних каталізаторів простого складу до складних багатокомпонентних і поліфункціональним. Останні мають на поверхні ділянки, що розрізняються за характером каталітичного дії. На поліфункціональних каталізаторах в одному апараті за один прохід реакційної суміші здійснюється ряд послідовних хімічних перетворень і часто, особливо в разі нестійкості проміжних речовин. досягається кращий вихід цільового продукту в порівнянні з роздільним проведенням процесу за допомогою монофункціональних каталізаторів. Поліфункціональними є, наприклад, каталізатор Лебедєва для отримання дивина з етилового спирту. алюмоплатіновий каталізатор для виробництва високооктанових бензинів і ін. Все більш широке застосування знаходять також промотувати каталізатори. активність яких істотно збільшена додаванням речовин (промоторів), які, взяті окремо, можуть і не мати каталітичними властивостями.
Для кожного промислового процесу необхідний свій каталізатор. володіє оптимальним комплексом властивостей. Тому проводиться велика кількість різноманітних каталізаторів. розрізняються хімічним складом, пористою структурою, розміром і формою гранул.
Обсяг світового виробництва каталізаторів становить 500-800 тис. Т на рік; випускається близько 250 основних типів каталізаторів. кожен тип включає ряд різновидів. Між однорідними за призначенням каталізаторами. виробленими в різних країнах або різними фірмами, є певні відмінності, особливо між каталізаторами нових процесів. Повсюдно спостерігається концентрація виробництва каталізаторів. Створюються великі каталізаторні фабрики і цехи, що дозволяють поліпшити якість продукції, механізувати і автоматизувати виробництво, а самі каталізатори. вироблялися раніше тільки для споживання всередині підприємств, стали надходити як товарні продукти на внутрішній і міжнародний ринки.
Літ. Каталітичні властивості речовин. Довідник, під заг. ред. В. А. Ройтера, К. 1968; Пориста структура каталізаторів і процеси переносу в гетерогенному каталізі (IV Міжнародний конгрес з каталізу. Симпозіум III), Новосиб. 1970; Наукові основи підбору каталізаторів гетерогенних каталітичних реакцій. Зб. під ред. С. З. Рогінський, М. 1966; Наукові основи підбору і виробництва каталізаторів. Зб. під ред. Г. К. Борескова, Новосиб. 1964; Поліфункціональні каталізатори і складні реакції. пер. з англ. М. 1965; Каталозі. Питання вибірковості і стереоспеціфічность каталізаторів. пер. з англ. М. 1963; Методи дослідження каталізаторів та каталітичних реакцій. т. 1-3, Новосиб. 1965. Див. Також літ. до ст. Каталозі.
Г. К. Боресков, А. А. Самах.
