69. Основные принципы твердых катализаторов.

Твердые катализаторы имеют определенный физические свойства, основными из которых являются удельная поверхность (м2/г), объем (мл/г) и структура пор, плотность (истинная и насыпная). Высокая удельная поверхность катализаторов (обычно от 10 до сотен м2/г) достигается за счет развитой системы пор, размером 1-10 нм (микропоры) и 100-1000 нм (макропоры).

По типу соединений твердые катализаторы могут быть металлами, применяются также оксиды, гидриды, сульфиды, карбиды, нитриды, а также их смеси. Кроме того, возможно применение солей и твердых кислот (особенно гетерополикислот).

Различают катализаторы массивные и нанесенные на носитель. Использование носителя основано на том, что в твердом катализаторе «работает» главным образом, тонкий слой поверхности, в котором имеются так называемые активные центры. Поэтому часто каталитически активную массу наносят на носитель, что позволяет снизить затраты на обычно более дорогой активный компонент, увеличить его дисперсность, часто также улучшаются и другие физические свойства, например, механическая прочность, теплопроводность и др.).

Обычно катализатор представляет собой смесь каталитически активного материала (например, металла) с добавкой промотора на носителе. Носитель используется для увеличения дисперсности частиц катализатора, доступности активных центров, улучшению пористой структуры. Носитель не обладает собственной каталитической активностью и не взаимодействует с каталитически активным материалом. Поэтому в качестве носителей обычно используют химически инертные, тугоплавкие оксиды с развитой поверхностью, например, активный углерод, диоксид кремния, оксид алюминия, алюмосиликаты, оксиды магния, цинка и др. Удельная поверхность носителей обычно заключается в диапазоне от 10 до 400 м2/г.

Кроме того, твердые катализаторы могут содержать промоторы. Промотор, как и носитель, не обладает каталитической активностью, но взаимодействует с каталитически активным материалом и в малых добавках улучшает некоторые эксплуатационные свойства катализатора. Например, добавка 0,2% рения (и хрома) к платине сильно повышает селективность и стабильность катализатора ароматизации в отношении спекания. Добавка 1-2% щелочи (К2О) к железным катализаторам синтеза увеличивает выход аммиака, а в синтезе Фишера-Тропша улучшают селективность по высшим углеводородам и спиртам (подавляют метанирование).

6.3.2 Основные типы твердых катализаторов

Рассмотрим теперь основные типы катализаторов, используемые в различных промышленных процессах. Для процессов кислотно-основного катализа, таких как крекинг, гидратация, дегидратация, изомеризация и др. катализатор должен обладать способностью передавать протоны реагентам. Поэтому лучшими катализаторами будут сильные кислоты, такие как цеолиты в Н-форме, алюмосиликаты, кислоты, в том числе суперкислоты и ГПК.

Для процессов гидро-дегидрогенизации, таких как гидрирование ненасыщенных соединений, гидрообессеривание нефтепродуктов, дегидрирование парафинов в олефины, ароматизации катализатор должен обладать способность к активации водорода. Обычно в качестве катализаторов таких процессов используют металлы VIII группы их оксиды и сульфиды.

В другом важном классе окислительных процессов обычно используют катализаторы – оксиды переходных металлов, например, оксиды ванадия, меди, хрома, молибдена, марганца и др.