სამრეწველო კატალიზის მნიშვნელობა და მოცულობა. კატალიზის არსი და სახეები

ქიმიურ მრეწველობაში და მასთან დაკავშირებულ ინდუსტრიებში (ნავთოქიმია და ა.შ.) არსებული და ახლად დანერგილი ტექნოლოგიების 90%-ზე მეტი კატალიზური პროცესებია. კატალიზატორების გამოყენებით იწარმოება ათიათასობით სახის არაორგანული და ორგანული პროდუქტი, მათ შორის ამიაკი, აზოტის და გოგირდის მჟავები, მეთანოლი, ბუტადიენი, სტირონი და ა.შ. მიმდინარეობს.

კატალიზური პროცესების უმეტესობა შეიძლება ორგანიზებული იყოს როგორც უწყვეტი, უნაყოფო, დაბალი ენერგიით. ისინი გამოირჩევიან მაღალი ტექნიკური და ეკონომიკური მაჩვენებლებით, უზრუნველყოფენ სამიზნე პროდუქტის მაღალ მოსავლიანობას. კატალიზატორების გამოყენება შესაძლებელს ხდის ქიმიურ-ტექნოლოგიური პროცესების გააქტიურებას, ტრანსფორმაციების განხორციელებას, რომლებიც პრაქტიკაში კატალიზატორის გარეშე ვერ განხორციელდება. მაღალი ენერგიაგააქტიურება, პროცესის სწორი მიმართულებით წარმართვა, წარმოებული პროდუქტების სტრუქტურისა და თვისებების რეგულირება (მაგალითად, სტერეოსპეციფიკური კატალიზატორები სინთეზური რეზინისა და პლასტმასის წარმოებაში). განსაკუთრებული მნიშვნელობა ენიჭება კატალიზატორების გამოყენებას შექცევად ეგზოთერმულ პროცესებში, რომლებშიც ტემპერატურის მატება რეაქციის დასაჩქარებლად მკვეთრად ამცირებს კონვერტაციის წონასწორობის ხარისხს და რეაქციას თერმოდინამიკურად მოუგვარებელს ხდის. ასეთ პროცესებში კატალიზატორების როლი უმნიშვნელოვანესია.

სხვა ფაქტორებისგან განსხვავებით, რომლებიც აძლიერებენ ქიმიურ პროცესს, კატალიზატორი გავლენას ახდენს მხოლოდ ქიმიური რეაქციის სიჩქარეზე და არ მოქმედებს თერმოდინამიკაზე, მხოლოდ აჩქარებს წონასწორობის მდგომარეობის მიღწევას.

კატალიზატორი არის ნივთიერება, რომელიც ცვლის ქიმიური რეაქციის სიჩქარეს და უცვლელი რჩება რეაქციის ბოლოს. ამ შემთხვევაში, კატალიზატორი არ აჩქარებს დიფუზიურ პროცესებს და გავლენას ახდენს მხოლოდ კინეტიკური რეგიონში მიმდინარე პროცესების სიჩქარეზე.

კატალიზური პროცესები იყოფა:

ერთგვაროვანი, რომელშიც რეაქტორები და კატალიზატორი ქმნიან ერთ ფაზას;
ჰეტეროგენული, რომელშიც რეაქტორები და კატალიზატორი სხვადასხვა ფაზაშია;
მიკროჰეტეროგენული, მიედინება თხევად ფაზაში კატალიზატორების მონაწილეობით კოლოიდურ მდგომარეობაში;
ფერმენტულიწარმოიქმნება ბიოლოგიურ სისტემებში ფერმენტების გავლენის ქვეშ.

ქიმიურ მრეწველობაში ყველაზე გავრცელებულია ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესები, რომლებშიც ფაზის საზღვარი არის მყარი კატალიზატორის ზედაპირი, რომელიც კონტაქტშია აირისებრ ან თხევად ფაზასთან.

ქიმიური რეაქციები კატალიზატორის ზედაპირზე არის რთული პროცესი, რომელიც შედგება რამდენიმე თანმიმდევრული ელემენტარული ეტაპისგან, რომლებიც განსხვავდება ქიმიური და ფიზიკური ბუნებით:

რეაგენტების დიფუზია დიფუზიიდან კატალიზატორის მარცვლების ზედაპირზე (გარე დიფუზიის ეტაპი);
რეაქტიული მოლეკულების დიფუზია კატალიზატორის ფორებში (შიდა დიფუზიის ეტაპი);
კატალიზატორის ზედაპირზე რეაქტიული მოლეკულების შეწოვა ფიზიკური შთანთქმის ან ქიმიზორბციის (გააქტიურებული შთანთქმის) სახით; ქიმისორბციის ეტაპი შედგება რეაგენტისა და კატალიზატორის გააქტიურებული კომპლექსის წარმოქმნით და განსაზღვრავს კატალიზატორის სპეციფიკას კატალიზურ რეაქციებში;
ზედაპირული ქიმიური რეაქცია გააქტიურებული კომპლექსის გადაწყობის ან ერთი ადსორბირებული რეაგენტის მოლეკულების მეორის მოლეკულებთან ურთიერთქმედების შედეგად;
შედეგად მიღებული რეაქციის პროდუქტების დეზორბცია კატალიზატორის ზედაპირიდან;
პროდუქტების დიფუზია კატალიზატორის ფორებიდან მის გარე ზედაპირზე (საპირისპირო შიდა დიფუზია);
პროდუქტების დიფუზია კატალიზატორის ზედაპირიდან ნაკადში.

ქიმიურ-ტექნოლოგიურ პროცესებში გამოიყენება არა ცალკეული კატალიზურად აქტიური ნივთიერებები, არამედ საკონტაქტო მასებიკომპლექსური სისტემების წარმოდგენა, რომელთა კომპონენტების შემადგენლობა და ბუნება უნდა უზრუნველყოფდეს კატალიზური პროცესის ყველაზე ეფექტურ და სტაბილურ დინებას. საკონტაქტო მასა შედგება კატალიზურად აქტიური ნივთიერებისგან (კატალიზატორი), აქტივატორი და გადამზიდავი.

ჰეტეროგენული კატალიზატორების ბუნება ძალიან მრავალფეროვანია და დამოკიდებულია კატალიზებული რეაქციების ტიპზე. კატალიზატორებად ძირითადად გამოიყენება ლითონები თავისუფალ მდგომარეობაში (პლატინი, ვერცხლი, სპილენძი, რკინა) და ლითონის ოქსიდები (თუთია, ქრომი, ალუმინი, მოლიბდენი, ვანადიუმი). იმ შემთხვევებში, როდესაც სისტემაში ერთდროულად ხდება სხვადასხვა ნივთიერებით კატალიზებული ორი რეაქცია, გამოიყენება ორფუნქციური კატალიზატორები, რომლებიც შედგება ორი შესაბამისი კომპონენტისგან (მაგალითად, თუთიის ოქსიდი და ალუმინის ოქსიდი დეჰიდრატაციის და ეთანოლის ბუტადიენამდე დეჰიდროგენაციის პროცესში).

აქტივატორი (პრომოუტერი)- ეწოდება ნივთიერებას, რომელიც შეყვანილია კონტაქტურ მასაში, რათა გაზარდოს კატალიზატორის აქტივობა და გაზარდოს მისი ხანგრძლივობა. აქტივატორებს აქვთ შერჩევითი ეფექტი, ამიტომ მათი ბუნება დამოკიდებულია კატალიზატორის ბუნებაზე.

გადამზიდავი (ტრიბრახი)- არის მასალის სახელი, რომელზედაც გამოიყენება კატალიზატორი, რათა გაიზარდოს მისი ზედაპირი, მისცეს მასას ფოროვანი სტრუქტურა, გაზარდოს მისი მექანიკური სიმტკიცე და შეამციროს საკონტაქტო მასის ღირებულება. კონტაქტურ მასებში მატარებლად გამოიყენება პემზა, აზბესტი, სილიკა გელი, დიატომა, ფოროვანი კერამიკა.

საკონტაქტო მასები წარმოიქმნება შემდეგი მეთოდებით:

მარილის ხსნარებიდან ჰიდროქსიდების და კარბონატების დალექვა შემდგომი წარმოქმნით და კალცინაციით;
კომპონენტების ნარევის ერთობლივი დაჭერა შემკვრელით;
კომპონენტების შერწყმა;
ფოროვანი მატარებლის გაჟღენთვა კატალიზატორისა და აქტივატორის ხსნარებით.

საკონტაქტო მასები ყალიბდება გრანულების, ტაბლეტების ან სხვადასხვა კონფიგურაციის ელემენტების სახით. ლითონის კატალიზატორები იწარმოება და გამოიყენება თხელი ბადეების სახით.

2. მყარი კატალიზატორების ტექნოლოგიური მახასიათებლები

სამრეწველო ჰეტეროგენულ კატალიზურ პროცესებში კატალიზატორების გამოყენების ეფექტურობა არსებითად დამოკიდებულია მათ ტექნოლოგიურ მახასიათებლებზე. ესენია: აქტივობა, აალების ტემპერატურა, მოქმედების შერჩევითობა, შხამებისადმი წინააღმდეგობა, ფორიანობა, მექანიკური სიძლიერე, თბოგამტარობა, ხელმისაწვდომობა და დაბალი ღირებულება.

1. კატალიზატორის აქტივობა (A)- მისი აჩქარების ეფექტის საზომი მოცემულ ქიმიურ რეაქციასთან მიმართებაში. იგი განისაზღვრება, როგორც კატალიზური და არაკატალიზური რეაქციების სიჩქარის მუდმივების თანაფარდობა:

იმ შემთხვევებისთვის, როდესაც კატალიზური და არაკატალიზური რეაქციები ერთნაირი რიგისაა და, შესაბამისად, არენიუსის განტოლებაში წინასწარი ექსპონენციური კოეფიციენტები ტოლია (а 1 =а 2), კატალიზატორის აქტივობა განისაზღვრება (1)-დან. როგორც:

რეაქციის აქტივაციის ენერგიის შემცირებით, კატალიზატორი აჩქარებს მას სიდიდის მრავალი რიგით. ასე, მაგალითად, რეაქციისთვის:

მასში გამოყენებული ვანადიუმის კატალიზატორის აქტივობა, ანუ რეაქციის სიჩქარე ასობით მილიარდჯერ იზრდება.

უმეტეს შემთხვევაში, კატალიზატორი ასევე ამცირებს რეაქციის თანმიმდევრობას და მით უფრო მაღალია მისი აქტივობა. ასე რომ, მაგალითად, თუ ზემოთ მოყვანილი რეაქციის რიგი კატალიზატორის გარეშე არის 3, მაშინ ვანადიუმის კატალიზატორის თანდასწრებით ეს არის მხოლოდ 1.8.

2. კატალიზატორის აალების ტემპერატურა T 3- მინიმალური ტემპერატურა, რომლის დროსაც პროცესი იწყება ტექნოლოგიური მიზნებისთვის საკმარისი სიჩქარით. რაც უფრო მაღალია კატალიზატორის აქტივობა, მით უფრო დაბალია მისი აალების ტემპერატურა, ანუ:

აალების დაბალ ტემპერატურაზე, ოპერაციული ინტერვალი T 3-სა და პროცესის ტემპერატურის რეჟიმს შორის გახანგრძლივებულია, რეაქტორის დიზაინი გამარტივებულია, რეაგენტების გასათბობად სითბოს მოხმარება მცირდება და ტექნოლოგიური რეჟიმი სტაბილიზირებულია. ეგზოთერმული კატალიზური რეაქციებისთვის T 3-ის გარკვეული მნიშვნელობით სითბოს გამოყოფის სიჩქარე უდრის სითბოს მოცილების სიჩქარეს (სითბოს მოხმარება რეაქციის ნარევის გასათბობად და სითბოს მოცილება რეაქციის პროდუქტებით). ამ შემთხვევაში, T 3 წარმოადგენს მინიმალურ ტემპერატურას, რომლის დროსაც პროცესი ავტოთერმულია.

3. შერჩევითობა (შერჩევითობა)კატალიზატორი - მისი უნარი შერჩევით დააჩქაროს ერთ-ერთი რეაქცია, თუ სისტემაში თერმოდინამიკურად შესაძლებელია რამდენიმე რეაქცია. რთული პარალელური რეაქციისთვის, რომელიც მიმდინარეობს სქემის მიხედვით:

და A→B და A→C რეაქციების ჩათვლით, რომლებიც ხასიათდება, შესაბამისად, სიჩქარის მუდმივებით k 1 და k 2 და აქტივაციის ენერგიებით E 1 და E 2 , სელექციურობა A→B მიმართულებით განისაზღვრება როგორც:

აქედან გამომდინარეობს, რომ მოცემულ T ტემპერატურაზე შესაძლებელია კატალიზატორის შერჩევით შეცვალოს სხვაობა E 2 - E 1 და, შესაბამისად, პროცესი წარმართოს სამიზნე პროდუქტის ფორმირებისკენ.

კატალიზატორის სელექციურობას დიდი მნიშვნელობა აქვს ისეთ ქიმიურ და ტექნოლოგიურ პროცესებში, როგორიცაა ამიაკის დაჟანგვა აზოტის მჟავას წარმოქმნაში, ორგანული სინთეზის სხვადასხვა პროცესებში. კატალიზატორების გამოყენებით შესაძლებელი ხდება სხვადასხვა სამიზნე პროდუქტების მიღება ჩვეულებრივი ნედლეულისგან, მაგალითად:

კატალიზატორის ფორიანობა ახასიათებს მის სპეციფიკურ ზედაპირის ფართობს და, შესაბამისად, გავლენას ახდენს კატალიზატორის კონტაქტურ ზედაპირზე რეაგენტებთან. კატალიზური პროცესებისთვის დიდი მნიშვნელობა აქვს მყარი კატალიზატორის ზედაპირის ხელმისაწვდომობას რეაგენტებისთვის, რადგან რაც უფრო დიდია საკონტაქტო ზედაპირი, მით უფრო მაღალია მათი გადაქცევის სიჩქარე სამიზნე პროდუქტებად ერთეულ დროში იმავე კატალიზატორზე.

კატალიზატორის ფორიანობა გამოიხატება როგორც ფორების თავისუფალი მოცულობის თანაფარდობა კატალიზატორის მთლიან მოცულობასთან და ხასიათდება მისი სპეციფიური ზედაპირით, ანუ ზედაპირით თითო მასის ერთეულზე ან კატალიზატორის მოცულობაზე. თანამედროვე კატალიზატორებს აქვთ მაღალგანვითარებული სპეციფიური ზედაპირი, რომელიც აღწევს 10-100 მ 2/გ.

5. მექანიკური სიმტკიცესაკონტაქტო მასა უნდა იყოს ისეთი, რომ არ იშლება საკუთარი წონის ზემოქმედებით ფიქსირებული კატალიზატორის კალაპოტის მქონე აპარატებში და არ ცვდება მოძრავი კატალიზატორისა და „KS“ აპარატების მქონე აპარატებში.

6. წინააღმდეგობა კონტაქტის შხამებზე. ჰეტეროგენული კატალიზური პროცესების პრაქტიკულ გამოყენებას აფერხებს პროცესის დროს კატალიზატორის აქტივობის შემცირების ფენომენი. ამის მიზეზებია:

კატალიზატორის აქტიური ზედაპირის დაქვეითება მასზე მტვრის ან რეაქციის პროდუქტების დეპონირებისას;
კატალიზატორის მექანიკური განადგურება;
კატალიზატორის მოწამვლა კატალიზური (კონტაქტური) შხამებით

კატალიზატორის მოწამვლა- მისი აქტივობის ნაწილობრივი ან სრული დაკარგვა გარკვეული ნივთიერებების მცირე რაოდენობით გავლენის ქვეშ. საკონტაქტო შხამები. საკონტაქტო შხამები ქმნიან ზედაპირულ ქიმიურ ნაერთებს კატალიზატორის გააქტიურებულ უბნებთან და ბლოკავს მათ, ამცირებს კატალიზატორის აქტივობას. კატალიზატორების თითოეული ჯგუფისთვის არის გარკვეული სახის კონტაქტის შხამები.

კატალიზატორის მოწამვლა შეიძლება იყოს შექცევადიროდესაც კონტაქტური შხამები ამცირებენ კატალიზატორის აქტივობას დროებით, სანამ ისინი კატალიზის ზონაში არიან, და შეუქცევადიროდესაც კატალიზატორის აქტივობა არ აღდგება კატალიზის ზონიდან საკონტაქტო შხამების ამოღების შემდეგ. საკონტაქტო შხამები შეიძლება შეიცავდეს კატალიზურ პროცესს მიწოდებულ რეაგენტებში და ასევე წარმოიქმნება როგორც ქვეპროდუქტები თავად პროცესში. კონტაქტური შხამებისადმი წინააღმდეგობა არის ყველაზე მნიშვნელოვანი ქონებასამრეწველო კატალიზატორები. ქიმიურ-ტექნოლოგიურ პროცესებში საკონტაქტო მასების სიცოცხლის გახანგრძლივების მიზნით, უზრუნველყოფილია რეაგენტების საფუძვლიანი გაწმენდის ეტაპი მავნე მინარევებისაგან და კატალიზატორის რეგენერაციის ოპერაცია (მაგალითად, ნახშირბადის მაღალი შემცველობის პოლიმერული ფირის დაწვა, რომელიც მოიცავს კატალიზატორის მარცვლებს კატალიზურ პროცესებში. კრეკინგი, ნავთობპროდუქტები, ორგანული ნაერთების იზომერიზაცია და დეჰიდროგენიზაცია).

სწრაფი ინდუსტრიული ზრდა, რომელსაც ჩვენ ახლა განვიცდით, შეუძლებელი იქნებოდა ახალი ქიმიური ტექნოლოგიების განვითარების გარეშე. ამ პროგრესს დიდწილად განსაზღვრავს კატალიზატორების ფართო გამოყენება, რომელთა დახმარებით დაბალი ხარისხის ნედლეული გარდაიქმნება მაღალი ღირებულების პროდუქტად. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, კატალიზატორი- ეს არის თანამედროვე ალქიმიკოსის ფილოსოფიური ქვა, მხოლოდ ის არ აქცევს ტყვიას ოქროდ, არამედ ნედლეულს აქცევს წამლებად, პლასტმასებად, ქიმიკატებად, საწვავად, სასუქებად და სხვა სასარგებლო პროდუქტებად. Ალბათ, პირველივე კატალიზური პროცესირომ ადამიანმა ისწავლა დუღილის გამოყენება. ალკოჰოლური სასმელების მომზადების რეცეპტები შუმერებისთვის ჯერ კიდევ 3500 წელს იყო ცნობილი. იხილეთ ღვინო; ლუდი.

მნიშვნელოვანი ეტაპი კატალიზის პრაქტიკულ გამოყენებაშიგახდა მარგარინის წარმოებამცენარეული ზეთის კატალიზური ჰიდროგენიზაცია. ეს რეაქცია პირველად სამრეწველო მასშტაბით განხორციელდა დაახლოებით 1900 წელს. ხოლო 1920-იანი წლებიდან მოპოვების კატალიზური მეთოდები ახალი ორგანული მასალებიგანსაკუთრებით პლასტმასის. მთავარი პუნქტი იყო ოლეფინების, ნიტრილების, ეთერების, მჟავების და ა.შ. კატალიზური წარმოება. - "აგური" პლასტმასის ქიმიური "შენობისთვის". კატალიზური პროცესების სამრეწველო გამოყენების მესამე ტალღაეკუთვნის 1930-იან წლებს და დაკავშირებულია ნავთობის გადამუშავებასთან. მოცულობის თვალსაზრისით, ამ პროდუქციამ მალე დატოვა ყველა დანარჩენი. ნავთობის გადამუშავება შედგება რამდენიმე კატალიზური პროცესისგან:

ბზარი,

რეფორმირება,

ჰიდროსულფონაცია,

ჰიდროკრეკინგი,

იზომერიზაცია,

პოლიმერიზაცია

ალკილაცია.

Და ბოლოს მეოთხე ტალღაკატალიზის გამოყენებისას გარემოს დაცვასთან დაკავშირებული. ყველაზე ცნობილი მიღწევა ამ სფეროში არის მანქანის გამონაბოლქვი აირების კატალიზატორის შექმნა. კატალიზატორი, რომელიც მანქანებში 1975 წლიდან არის დაყენებული, დიდი როლი ითამაშა ჰაერის ხარისხის გაუმჯობესებაში და ამ გზით მრავალი სიცოცხლე გადაარჩინა.

ათამდე ნობელის პრემია მიენიჭა კატალიზის და მასთან დაკავშირებულ სფეროებში მუშაობისთვის. კატალიზური პროცესების პრაქტიკულ მნიშვნელობაზე მოწმობს ის ფაქტი, რომ წილი აზოტი, რომელიც არის ინდუსტრიულად მიღებული აზოტის შემცველი ნაერთების ნაწილი, შეადგენს აზოტის დაახლოებით ნახევარს, რომელიც საკვები პროდუქტების ნაწილია. ბუნებრივად წარმოქმნილი აზოტის ნაერთების რაოდენობა შეზღუდულია, ამიტომ დიეტური ცილის გამომუშავება დამოკიდებულია სასუქებით ნიადაგში შეტანილი აზოტის რაოდენობაზე. ამის გარეშე შეუძლებელი იქნებოდა კაცობრიობის ნახევრის გამოკვებაც კი სინთეზური ამიაკი, რომელიც იწარმოება თითქმის ექსკლუზიურად კატალიზურით Haber-Bosch პროცესი. კატალიზატორების სპექტრი მუდმივად ფართოვდება. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ კატალიზს შეუძლია მნიშვნელოვნად გაზარდოს ადრე შემუშავებული ტექნოლოგიების ეფექტურობა. მაგალითად არის კატალიზური კრეკინგის გაუმჯობესება გამოყენების გზით ცეოლითები.

ჰიდროგენიზაცია.კატალიზური რეაქციების დიდი რაოდენობა დაკავშირებულია წყალბადის ატომის და ზოგიერთი სხვა მოლეკულის გააქტიურებასთან, რაც იწვევს მათ ქიმიურ ურთიერთქმედებას. ამ პროცესს ეწოდება ჰიდროგენიზაცია და საფუძვლად უდევს ნავთობის გადამუშავების მრავალ ეტაპს და ქვანახშირისგან თხევადი საწვავის წარმოებას. ბერგიუსის პროცესი). საავიაციო ბენზინის და საავტომობილო საწვავის წარმოება ქვანახშირისგან განვითარდა გერმანიაში მეორე მსოფლიო ომის დროს, რადგან ამ ქვეყანაში ნავთობის საბადოები არ არის. ბერგიუსის პროცესი არის წყალბადის პირდაპირი დამატება ნახშირბადში. ქვანახშირი თბება წნევით წყალბადის თანდასწრებით და მიიღება თხევადი პროდუქტი, რომელიც შემდეგ გადამუშავდება საავიაციო ბენზინში და საავტომობილო საწვავად. რკინის ოქსიდი გამოიყენება როგორც კატალიზატორი, ასევე კატალიზატორები კალის და მოლიბდენის საფუძველზე. ომის დროს დღეში დაახლოებით 1400 ტონა თხევადი საწვავი მოიპოვებოდა 12 გერმანულ ქარხანაში ბერგიუსის პროცესის გამოყენებით. სხვა პროცესი, ფიშერ–ტროპში, შედგება ორი ეტაპისგან. ჯერ ნახშირი გაზიფიცირებულია, ე.ი. განახორციელეთ მისი რეაქცია წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან და მიიღეთ წყალბადის და ნახშირბადის ოქსიდების ნარევი. ეს ნარევი გარდაიქმნება თხევად საწვავად რკინის ან კობალტის შემცველი კატალიზატორების გამოყენებით. ომის დამთავრებისთანავე გერმანიაში ქვანახშირისგან სინთეტიკური საწვავის წარმოება შეწყდა. ნავთობის ფასების ზრდის შედეგად, რომელიც მოჰყვა ნავთობის ემბარგოს 1973-1974 წლებში, ენერგიული ძალისხმევა გაკეთდა ნახშირისგან ბენზინის წარმოების ეკონომიკურად მომგებიანი მეთოდის შემუშავებაზე. ამრიგად, ნახშირის პირდაპირი გათხევადება შეიძლება განხორციელდეს უფრო ეფექტურად, ორეტაპიანი პროცესის გამოყენებით, რომლის დროსაც ნახშირი პირველად დაუკავშირდება ალუმინის-კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორს შედარებით დაბალ და შემდეგ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე. ასეთი სინთეზური ბენზინის ღირებულება უფრო მაღალია, ვიდრე ნავთობისგან მიღებული.

ამიაკი.ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი უმარტივესი პროცესი ქიმიური თვალსაზრისით არის ამიაკის სინთეზი წყალბადისა და აზოტისგან. აზოტი ძალიან ინერტული ნივთიერებაა. მის მოლეკულაში N–N ბმის გასაწყვეტად საჭიროა 200 კკალ/მოლი რიგის ენერგია. თუმცა, აზოტი ატომურ მდგომარეობაში აკავშირებს რკინის კატალიზატორის ზედაპირს და ამას მხოლოდ 20 კკალ/მოლი სჭირდება. წყალბადის ბმა რკინას კიდევ უფრო ადვილად აკავშირებს. ამიაკის სინთეზი შემდეგნაირად მიმდინარეობს:

ეს მაგალითი ასახავს კატალიზატორის უნარი თანაბრად დააჩქაროს როგორც წინა, ისე საპირისპირო რეაქციები, ე.ი. ის ფაქტი, რომ კატალიზატორი არ ცვლის ქიმიური რეაქციის წონასწორობას.

მცენარეული ზეთის ჰიდროგენიზაცია. პრაქტიკაში ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციაა მცენარეული ზეთების არასრული ჰიდროგენაცია მარგარინში, სამზარეულოს ზეთში და სხვა საკვებ პროდუქტებში. მცენარეული ზეთები მიიღება სოიოს, ბამბის თესლისა და სხვა კულტურებისგან. მათ შორისაა ეთერები, კერძოდ, ცხიმოვანი მჟავების ტრიგლიცერიდები სხვადასხვა ხარისხით გაჯერებულობით. ოლეინის მჟავას CH 3 (CH 2) 7 CH \u003d CH (CH 2) 7 COOH აქვს ერთი ორმაგი ბმა C \u003d C, ლინოლეინის მჟავას აქვს ორი და ლინოლენის მჟავას აქვს სამი. ამ კავშირის გასატეხად წყალბადის დამატება ხელს უშლის ზეთების დაჟანგვას (გაფუჭებას). ეს ზრდის მათ დნობის წერტილს. მიღებული პროდუქტების უმეტესობის სიმტკიცე დამოკიდებულია ჰიდროგენიზაციის ხარისხზე. ჰიდროგენიზაცია ხორციელდება სუბსტრატზე ან ნიკელზე დეპონირებული ნიკელის წვრილად გაფანტული ფხვნილის თანდასწრებით. Raney კატალიზატორიუაღრესად გაწმენდილი წყალბადის ატმოსფეროში.

დეჰიდროგენაცია.დეჰიდროგენაცია ასევე ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზური რეაქციაა, თუმცა მისი გამოყენების მასშტაბები შეუდარებლად მცირეა. მისი დახმარებით, მაგალითად, მიიღება სტირონი, მნიშვნელოვანი მონომერი. ამისათვის, რკინის ოქსიდის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით ეთილბენზოლის დეჰიდროგენაცია; კალიუმი და ზოგიერთი სტრუქტურული სტაბილიზატორი ასევე ხელს უწყობს რეაქციას. სამრეწველო მასშტაბით პროპანი, ბუტანი და სხვა ალკანები დეჰიდროგენირებულია. ბუტანის დეჰიდროგენაცია ალუმინის-ქრომის კატალიზატორის თანდასწრებით წარმოქმნის ბუტენებს და ბუტადიენს.

მჟავა კატალიზი.კატალიზატორების დიდი კლასის კატალიზური აქტივობა განპირობებულია მათი მჟავე თვისებებით. Მიხედვით I. Bronsted და T. Lowryმჟავა არის ნაერთი, რომელსაც შეუძლია პროტონის შემოწირულობა. ძლიერი მჟავები ადვილად აძლევენ თავიანთ პროტონებს ფუძეებს. სამუშაოებში შემდგომ განვითარდა მჟავიანობის კონცეფცია გ.ლუისი, რომელმაც განსაზღვრა მჟავა, როგორც ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ელექტრონული წყვილი დონორი ნივთიერებიდან კოვალენტური ბმის წარმოქმნით ამ ელექტრონული წყვილის სოციალიზაციის გამო.

ეს იდეები, კარბენიუმის იონების წარმოქმნის რეაქციების შესახებ იდეებთან ერთად, დაეხმარა გაგებას სხვადასხვა კატალიზური რეაქციების მექანიზმიგანსაკუთრებით ნახშირწყალბადებთან დაკავშირებული. მჟავის სიძლიერე შეიძლება განისაზღვროს ფუძეების ნაკრების გამოყენებით, რომლებიც ფერს იცვლის პროტონის დამატებისას. გამოდის, რომ ზოგიერთი ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზატორი იქცევა ძალიან ძლიერი მჟავების მსგავსად. მათ შორისაა კატალიზატორი Friedel-Crafts პროცესიროგორიცაა HCl–AlCl 2 O 3 (ან HAlCl 4) და ალუმინოსილიკატები. მჟავა სიძლიერეძალიან მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, რადგან ის განსაზღვრავს პროტონაციის სიჩქარეს, რაც მთავარი ნაბიჯია მჟავა კატალიზის პროცესში. ისეთი კატალიზატორების აქტივობა, როგორიცაა ალუმინოსილიკატები, რომლებიც გამოიყენება ნავთობის კრეკში, განისაზღვრება ბრონსტედისა და ლუისის მჟავების არსებობით მათ ზედაპირზე. მათი აგებულება სილიციუმის დიოქსიდის (სილიციუმის დიოქსიდი) სტრუქტურის მსგავსია, რომელშიც Si 4+ ატომების ნაწილი ჩანაცვლებულია Al 3+ ატომებით. ჭარბი უარყოფითი მუხტი, რომელიც წარმოიქმნება ამ შემთხვევაში, შეიძლება განეიტრალდეს შესაბამისი კათიონებით. თუ კათიონები პროტონებია, მაშინ ალუმინის სილიკატი ისე იქცევა ბრონსტირებული მჟავა:

მჟავა კატალიზატორების აქტივობა განპირობებულინახშირწყალბადებთან ურთიერთქმედების უნარი, რათა წარმოქმნან კარბენიუმის იონი, როგორც შუალედური. ალკილკარბენიუმის იონები შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნახშირბადის ატომს, რომელიც დაკავშირებულია სამ ალკილის ჯგუფთან და/ან წყალბადის ატომთან. ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ, როგორც შუამავლები, რომლებიც წარმოიქმნება მრავალ რეაქციაში, რომლებიც მოიცავს ორგანულ ნაერთებს. მჟავა კატალიზატორების მოქმედების მექანიზმიშეიძლება ილუსტრირებული იყოს n-ბუტანის იზომერიზაციის რეაქციის მაგალითით იზობუტანთან HCl–AlCl 3 ან Pt–Cl–Al 2 O 3 თანდასწრებით. პირველი, C 4 H 8 ოლეფინის მცირე რაოდენობა ამაგრებს მჟავა კატალიზატორის დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონს მესამეული კარბენიუმის იონის შესაქმნელად. შემდეგ უარყოფითად დამუხტული ჰიდრიდის იონი H - გამოიყოფა n-ბუტანისგან იზობუტანის და მეორადი ბუტილკარბენიუმის იონის წარმოქმნით. ეს უკანასკნელი, გადაწყობის შედეგად, იქცევა მესამეულ კარბენიუმის იონად. ეს ჯაჭვი შეიძლება გაგრძელდეს ჰიდრიდის იონის აღმოფხვრით შემდეგი n-ბუტანის მოლეკულიდან და ა.შ.:

მნიშვნელოვანია, რომ მესამეული კარბენიუმის იონები უფრო სტაბილურია, ვიდრე პირველადი ან მეორადი. შედეგად, ისინი ძირითადად გვხვდება კატალიზატორის ზედაპირზე და, შესაბამისად, ბუტანის იზომერიზაციის ძირითადი პროდუქტია იზობუტანი. მჟავა კატალიზატორებიფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში - ნახშირწყალბადების კრეკინგი, ალკილაცია, პოლიმერიზაცია და იზომერიზაცია (იხ. აგრეთვე ქიმია და ნავთობის გადამუშავების მეთოდები).

დაყენებულია კარბენიუმის იონების მოქმედების მექანიზმიამ პროცესებში კატალიზატორების როლს თამაშობენ. ამავდროულად, ისინი მონაწილეობენ უამრავ რეაქციაში, მათ შორის მცირე მოლეკულების წარმოქმნაში დიდის გაყოფით, მოლეკულების კომბინაციაში (ოლეფინი ოლეფინთან ან ოლეფინი იზოპარაფინთან), სტრუქტურულ გადაწყობაში იზომერიზაციით, პარაფინების და არომატული ნახშირწყალბადების წარმოქმნა. წყალბადის გადაცემით. მჟავა კატალიზის ერთ-ერთი უახლესი სამრეწველო გამოყენება არის ტყვიის შემცველი საწვავის წარმოება ალკოჰოლების დამატებით იზობუტილენში ან იზოამილენში. ბენზინში ჟანგბადიანი ნაერთების დამატება ამცირებს ნახშირბადის მონოქსიდის კონცენტრაციას გამონაბოლქვი აირებში. მეთილის მესამეული ბუტილის ეთერი (MTBE) 109 ოქტანური რეიტინგით, ასევე შესაძლებელს ხდის მაღალი ოქტანური საწვავის მიღებას, რომელიც საჭიროა მაღალი შეკუმშვის საავტომობილო ძრავისთვის, ბენზინში ტეტრაეთილის ტყვიის შეყვანის გარეშე. ასევე ორგანიზებულია საწვავის წარმოება ოქტანური ნომრებით 102 და 111.

ძირითადი კატალიზი.კატალიზატორის აქტივობა განპირობებულიმათი ძირითადი თვისებები. ასეთი კატალიზატორების ძველი და ცნობილი მაგალითია ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, გამოიყენება ცხიმების ჰიდროლიზის ან საპონიფიკაციისათვის საპნის წარმოებაში და ერთ-ერთი ბოლო მაგალითები- კატალიზატორები, რომლებიც გამოიყენება პოლიურეთანის პლასტმასის და ქაფის წარმოებაში. ურეთანი წარმოიქმნება ალკოჰოლის იზოციანატთან ურთიერთქმედებით და ეს რეაქცია აჩქარებულია ძირითადი ამინების თანდასწრებით. რეაქციის დროს იზოციანატის მოლეკულაში ფუძე მიმაგრებულია ნახშირბადის ატომზე, რის შედეგადაც აზოტის ატომზე ჩნდება უარყოფითი მუხტი და იზრდება მისი აქტივობა ალკოჰოლთან მიმართებაში. განსაკუთრებით ეფექტური კატალიზატორია ტრიეთილენდიამინი. პოლიურეთანის პლასტმასი მიიღება დიიზოციანატების პოლიოლებთან (პოლიალქოოლებთან) რეაქციით. როდესაც იზოციანატი რეაგირებს წყალთან, ადრე წარმოქმნილი ურეთანი იშლება და CO 2 გამოყოფს. როდესაც პოლიალკოჰოლებისა და წყლის ნარევი რეაგირებს დიიზოციანატებთან, წარმოქმნილი პოლიურეთანის ქაფი იქმნება აირისებრი CO2-ით.

ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები. ეს კატალიზატორები აჩქარებენ ორი ტიპის რეაქციას და იძლევა უკეთეს შედეგს, ვიდრე რეაქტორების სერიით გადატანა ორ რეაქტორში, რომელთაგან თითოეული შეიცავს მხოლოდ ერთი ტიპის კატალიზატორს. ეს განპირობებულია იმით, რომ ორმაგი მოქმედების კატალიზატორის აქტიური ადგილები ძალიან ახლოს არის ერთმანეთთანდა ერთ-ერთ მათგანზე წარმოქმნილი შუალედური პროდუქტი მაშინვე გადაიქცევა მეორეზე საბოლოო პროდუქტად. წყალბადის გამააქტიურებელი კატალიზატორის შერწყმა ნახშირწყალბადების იზომერიზაციის ხელშემწყობ კატალიზატორთან იძლევა კარგ შედეგს. წყალბადის გააქტიურებაგანახორციელოს ზოგიერთი ლითონი და იზომერიზაცია ნახშირწყალბადების - მჟავები. ეფექტური ორმაგი მოქმედების კატალიზატორი, რომელიც გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში ნაფტას ბენზინად გადაქცევისთვის. წვრილად დაშლილი პლატინა, რომელიც დეპონირებულია მჟავა ალუმინაზე. ნაფტას კომპონენტების გარდაქმნა, როგორიცაა მეთილციკლოპენტანი (ICP), ბენზოლში ზრდის ბენზინის ოქტანურ რაოდენობას. Პირველი ICPდეჰიდროგენირდება კატალიზატორის პლატინის ნაწილზე ოლეფინად, რომელსაც აქვს იგივე ნახშირბადის ხერხემალი; შემდეგ ოლეფინი გადადის კატალიზატორის მჟავე ნაწილში, სადაც იზომერირდება ციკლოჰექსენამდე. ეს უკანასკნელი გადადის პლატინის ნაწილზე და დეჰიდროგენდება ბენზოლად და წყალბადად. ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები მნიშვნელოვნად აჩქარებენ ნავთობის რეფორმირებას. ისინი გამოიყენება ნორმალური პარაფინების იზოპარაფინებად იზომერიზაციისთვის. ეს უკანასკნელი, რომელიც ადუღდება იმავე ტემპერატურაზე, როგორც ბენზინის ფრაქციები, ღირებულია, რადგან მათ აქვთ უფრო მაღალი ოქტანური რიცხვი სწორი ნახშირწყალბადებთან შედარებით. გარდა ამისა, n-ბუტანის იზობუტანად გარდაქმნას თან ახლავს დეჰიდროგენაცია, რაც ხელს უწყობს MTBE-ს წარმოებას.

სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაცია. კატალიზის ისტორიაში მნიშვნელოვანი ეტაპი იყო ა-ოლეფინების კატალიზური პოლიმერიზაციის აღმოჩენა სტერეორეგულარული პოლიმერების წარმოქმნით. სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაციის კატალიზატორები აღმოაჩინა კ.ზიგლერმა, როდესაც ცდილობდა აეხსნა მის მიერ მიღებული პოლიმერების უჩვეულო თვისებები. კიდევ ერთი ქიმიკოსი, ჯ. ნატა, ვარაუდობს, რომ ზიგლერის პოლიმერების უნიკალურობა განისაზღვრება მათი სტერეორეგულარობა. რენტგენის დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ზიგლერის კატალიზატორების თანდასწრებით პროპილენისგან მომზადებული პოლიმერები ძალიან კრისტალურია და მართლაც აქვთ სტერეორეგულარული სტრუქტურა. ნატამ შემოიღო ტერმინები „იზოტაქტიკა“ და „სინდიოტაქტიკა“ ასეთი მოწესრიგებული სტრუქტურების აღსაწერად. იმ შემთხვევაში, როდესაც არ არის წესრიგი, გამოიყენება ტერმინი "ატაქტიკა":

სტერეოსპეციფიკური რეაქცია ხდება ზედაპირზემყარი კატალიზატორები, რომლებიც შეიცავს IVA-VIII ჯგუფების გარდამავალ ლითონებს (როგორიცაა Ti, V, Cr, Zr) ნაწილობრივ დაჟანგულ მდგომარეობაში და ნახშირბადის ან წყალბადის შემცველი ნებისმიერი ნაერთი, რომელიც დაკავშირებულია I-III ჯგუფების ლითონთან. ასეთი კატალიზატორის კლასიკური მაგალითია ნალექი, რომელიც წარმოიქმნება ჰეპტანში TiCl 4 და Al(C 2 H 5) 3 ურთიერთქმედების დროს, სადაც ტიტანი მცირდება სამვალენტიან მდგომარეობაში. ეს უკიდურესად აქტიური სისტემა ახდენს პროპილენის პოლიმერიზაციას ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე.

კატალიზური დაჟანგვა.ჟანგვის პროცესების ქიმიის გასაკონტროლებლად კატალიზატორების გამოყენებას დიდი სამეცნიერო და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ზოგიერთ შემთხვევაში, დაჟანგვა უნდა დასრულდეს, მაგალითად, მანქანის გამონაბოლქვი აირებში CO და ნახშირწყალბადების დამაბინძურებლების განეიტრალებისას. თუმცა, უფრო ხშირად საჭიროა, რომ დაჟანგვა იყოს არასრული, მაგალითად, მრავალ პროცესში, რომელიც ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში ნახშირწყალბადების ღირებულ შუალედურ პროდუქტებად გადაქცევისთვის, რომლებიც შეიცავს ისეთ ფუნქციურ ჯგუფებს, როგორიცაა -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. . ამ შემთხვევაში გამოიყენება როგორც ერთგვაროვანი, ასევე ჰეტეროგენული კატალიზატორები. ჰომოგენური კატალიზატორის მაგალითია გარდამავალი ლითონის კომპლექსი, რომელიც გამოიყენება პარაქსილენის ტერეფტალის მჟავამდე დაჟანგვისთვის, რომლის ეთერები არის პოლიესტერის ბოჭკოების წარმოების საფუძველი.

კატალიზატორები ჰეტეროგენული დაჟანგვისთვის.ეს კატალიზატორები, როგორც წესი, რთული მყარი ოქსიდებია. კატალიზური დაჟანგვა ხდება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, ოქსიდის ჟანგბადი ითვისება ნახშირწყალბადის მოლეკულით, რომელიც ადსორბირებულია ოქსიდის ზედაპირზე. ნახშირწყალბადი იჟანგება და ოქსიდი მცირდება. შემცირებული ოქსიდი რეაგირებს ჟანგბადთან და უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ვანადიუმის კატალიზატორის გამოყენებით ფთალიუმის ანჰიდრიდი მიიღება ნაფტალინის ან ბუტანის ნაწილობრივი დაჟანგვით.

ეთილენის წარმოება მეთანის დეჰიდროდიმერიზაციით. დეჰიდროდიმერიზაციის გზით ეთილენის სინთეზი საშუალებას იძლევა ბუნებრივი აირი გარდაიქმნას უფრო ადვილად ტრანსპორტირებად ნახშირწყალბადებად. რეაქცია

2CH 4 + 2O 2 → C 2 H 4 + 2H 2 O

ხორციელდება 850 °C ტემპერატურაზე სხვადასხვა კატალიზატორების გამოყენებით; საუკეთესო შედეგები მიიღება Li-MgO კატალიზატორით. სავარაუდოდ, რეაქცია მიმდინარეობს მეთილის რადიკალის წარმოქმნით მეთანის მოლეკულიდან წყალბადის ატომის გამოყოფით. გაყოფა ხორციელდება არასრულად შემცირებული ჟანგბადით, მაგალითად, O 2 2–. მეთილის რადიკალები აირის ფაზაში რეკომბინირებულია და წარმოქმნის ეთანის მოლეკულას და გარდაიქმნება ეთილენად შემდგომი დეჰიდროგენაციის დროს. არასრული დაჟანგვის კიდევ ერთი მაგალითია მეთანოლის ფორმალდეჰიდად გადაქცევა ვერცხლის ან რკინა-მოლიბდენის კატალიზატორის თანდასწრებით.

ცეოლიტები.ცეოლიტები ქმნიან ჰეტეროგენული კატალიზატორების სპეციალური კლასი. ეს არის ალუმინოსილიკატები მოწესრიგებული თაფლისებრი სტრუქტურით, რომელთა უჯრედის ზომა შედარებულია მრავალი ორგანული მოლეკულის ზომასთან. მათ ასევე უწოდებენ მოლეკულური საცრები. ყველაზე დიდი ინტერესია ცეოლიტები, რომელთა ფორებს ქმნიან 8-12 ჟანგბადის იონისგან შემდგარი რგოლები (ნახ. 2). ზოგჯერ ფორები ერთმანეთს ემთხვევა, როგორც ZSM-5 ცეოლითში (ნახ. 3), რომელიც გამოიყენება მეთანოლის ბენზინის ფრაქციის ნახშირწყალბადებად გადაქცევისთვის. ბენზინი შეიცავს მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატულ ნახშირწყალბადებს და, შესაბამისად, აქვს მაღალი ოქტანური რიცხვი. მაგალითად, ახალ ზელანდიაში მოხმარებული ბენზინის მესამედი ამ ტექნოლოგიით არის მიღებული. მეთანოლი მიიღება იმპორტირებული მეთანისგან.

სურათი 2 - ცეოლიტების სტრუქტურა დიდი და პატარა ფორებით.

სურათი 3 - ცეოლიტი ZSM-5. სტრუქტურის სქემატური წარმოდგენა გადაკვეთის მილების სახით.

კატალიზატორები, რომლებიც ქმნიან Y-ცეოლიტების ჯგუფს, მნიშვნელოვნად ზრდის კატალიზური კრეკინგის ეფექტურობას, ძირითადად მათი უჩვეულო მჟავე თვისებების გამო. ალუმინოსილიკატების ცეოლითებით ჩანაცვლება შესაძლებელს ხდის ბენზინის მოსავლიანობის 20%-ზე მეტით გაზრდას. გარდა ამისა, ცეოლიტები შერჩევითია მოლეკულების მოლეკულების ზომით. მათი სელექციურობა განპირობებულია ფორების ზომით, რომლებშიც მხოლოდ გარკვეული ზომისა და ფორმის მოლეკულები შეიძლება გაიარონ. ეს ეხება როგორც საწყის მასალებს, ასევე რეაქციის პროდუქტებს. მაგალითად, სტერული შეზღუდვების გამო, პარაქსილენი უფრო ადვილად წარმოიქმნება, ვიდრე უფრო მოცულობითი ორთო და მეტა იზომერები. ეს უკანასკნელნი „ჩაკეტილია“ ცეოლითის ფორებში (სურ. 4).

სურათი 4 - სქემა, რომელიც ხსნის ცეოლიტების სელექციურობას რეაგენტებთან (a) და (b) პროდუქტებთან მიმართებაში.

ცეოლითების გამოყენებამ ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა ზოგიერთ ინდუსტრიულ ტექნოლოგიაში - დეცოფირებაგაზის ზეთი და ძრავის ზეთი, ქიმიური შუამავლების მიღება პლასტმასის წარმოებისთვის არომატული ალკილირებით, ქსილენის იზომერიზაციით, ტოლუენის დისპროპორციულობით და ზეთის კატალიზური კრეკინგით. აქ განსაკუთრებით ეფექტურია ცეოლიტი ZSM-5.

ნავთობპროდუქტების დევაქსირება- პარაფინისა და ცერეზინის მოპოვება ნავთობპროდუქტებიდან (დიზელის საწვავი, ზეთები), რის შედეგადაც უმჯობესდება მათი ხარისხი, კერძოდ, მცირდება ასხამის წერტილი.

პარაფინი(გერმანული Paraffin, ლათ. Parum - პატარა და affinis - დაკავშირებული), გაჯერებული ნახშირწყალბადების ნარევი C 18 -C 35, უპირატესად. ნორმალური სტრუქტურა მოლით. მ 300-400; უფერული კრისტალები t pl. \u003d 45–65 o C, სიმკვრივე 0,880–0,915 გ / სმ 3 (15 o C).

ცერეზინი(ლათ. cera-დან - ცვილი), მყარი ნახშირწყალბადების (ძირითადად ალკილციკლანებისა და ალკანების) ნარევი, მიღებული ოზოცერიტის გაწმენდის შემდეგ. სიმკვრივით, ფერით (თეთრიდან ყავისფერამდე), დნობის წერტილით (65-88 ° C) და სიბლანტით, ცერეზინი ცვილის მსგავსია.

კატალიზატორები და გარემოს დაცვა.ჰაერის დაბინძურების შესამცირებლად კატალიზატორების გამოყენება 1940-იანი წლების ბოლოს დაიწყო. 1952 წელს ა.ჰაგენ-სმიტმა აღმოაჩინა, რომ ნახშირწყალბადები და აზოტის ოქსიდები, რომლებიც გამონაბოლქვი აირების ნაწილია, რეაგირებენ სინათლეზე და წარმოქმნიან ოქსიდანტებს (კერძოდ, ოზონს), რომლებიც აღიზიანებენ თვალებს და აძლევენ სხვა არასასურველ ეფექტებს. დაახლოებით ამავე დროს, ი. ჰუდრიმ შეიმუშავა გამონაბოლქვი აირების კატალიზური გაწმენდის მეთოდი CO2 და ნახშირწყალბადების დაჟანგვით CO 2 და H 2 O. 1970 წელს ჩამოყალიბდა სუფთა ჰაერის დეკლარაცია (განახლდა 1977 წელს, გაფართოვდა 1990 წელს). რომლის მიხედვითაც ყველა ახალი ავტომობილი, დაწყებული 1975 წლის მოდელებით, აღჭურვილი უნდა იყოს გამონაბოლქვი აირის კატალიზატორით. დადგენილია გამონაბოლქვი აირების შემადგენლობის ნორმები. მას შემდეგ, რაც ბენზინის შხამის კატალიზატორებს დაემატა ტყვიის ნაერთები, მიღებულია ეტაპობრივი პროგრამა. ყურადღება გამახვილდა აზოტის ოქსიდების შემცველობის შემცირების აუცილებლობაზეც. კატალიზატორები შეიქმნა სპეციალურად საავტომობილო გადამყვანებისთვის, რომლებშიც აქტიური კომპონენტები დეპონირებულია თაფლისებრი სტრუქტურის მქონე კერამიკულ სუბსტრატზე, რომლის უჯრედებშიც გადის გამონაბოლქვი აირები. სუბსტრატი დაფარულია ლითონის ოქსიდის თხელი ფენით, მაგალითად Al2O3, რომელზედაც დატანილია კატალიზატორი - პლატინი, პალადიუმი ან როდიუმი. თბოელექტროსადგურებში ბუნებრივი საწვავის წვის დროს წარმოქმნილი აზოტის ოქსიდების შემცველობა შეიძლება შემცირდეს გრიპის აირებში მცირე რაოდენობით ამიაკის დამატებით და ტიტან-ვანადიუმის კატალიზატორის მეშვეობით.

ფერმენტები.ფერმენტები არის ბუნებრივი კატალიზატორები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ პროცესებს ცოცხალ უჯრედში. ისინი მონაწილეობენ ენერგიის გაცვლის, საკვები ნივთიერებების დაშლის, ბიოსინთეზის რეაქციებში. ბევრი რთული ორგანული რეაქცია მათ გარეშე ვერ გაგრძელდება. ფერმენტები ფუნქციონირებენ ჩვეულებრივ ტემპერატურასა და წნევაზე, აქვთ ძალიან მაღალი სელექციურობა და შეუძლიათ გაზარდონ რეაქციების სიჩქარე რვა რიგით სიდიდით. მიუხედავად ამ უპირატესობებისა, 15000 ცნობილი ფერმენტიდან მხოლოდ 20 გამოიყენება ფართო მასშტაბით. ადამიანი ათასობით წლის განმავლობაში იყენებს ფერმენტებს პურის გამოსაცხობად, ალკოჰოლური სასმელების, ყველისა და ძმრის დასამზადებლად. ახლა ფერმენტები გამოიყენება მრეწველობაშიც: შაქრის გადამუშავებაში, სინთეზური ანტიბიოტიკების, ამინომჟავების და ცილების წარმოებაში. სარეცხ საშუალებებს ემატება პროტეოლიზური ფერმენტები, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის პროცესებს. Clostridium acetobutylicum ბაქტერიის დახმარებით H. Weizmann-მა განახორციელა სახამებლის ფერმენტული გარდაქმნა აცეტონად და ბუტილ სპირტად. აცეტონის მიღების ეს მეთოდი ფართოდ გამოიყენებოდა ინგლისში პირველი მსოფლიო ომის დროს, ხოლო მეორე მსოფლიო ომის დროს სსრკ-ში მისი დახმარებით ამზადებდნენ ბუტადიენურ რეზინას. განსაკუთრებით დიდი როლი ითამაშა პენიცილინის სინთეზისთვის მიკროორგანიზმების მიერ წარმოებული ფერმენტების, ასევე სტრეპტომიცინის და ვიტამინი B12-ის გამოყენებამ. ფერმენტულად წარმოებული ეთილის სპირტი ფართოდ გამოიყენება საავტომობილო საწვავად. ბრაზილიაში დაახლოებით 10 მილიონი მანქანის მესამედი მუშაობს შაქრის ლერწმისგან მიღებული ეთილის სპირტის 96%-ზე, ხოლო დანარჩენი ბენზინისა და ეთილის სპირტის ნარევზე (20%). საწვავის წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც წარმოადგენს ბენზინისა და ალკოჰოლის ნარევს, კარგად არის განვითარებული აშშ-ში. 1987 წელს სიმინდის მარცვლებიდან მიიღეს დაახლოებით 4 მილიარდი ლიტრი ალკოჰოლი, საიდანაც დაახლოებით 3,2 მილიარდი ლიტრი გამოიყენებოდა საწვავად. სხვადასხვა აპლიკაციები ასევე გვხვდება ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. ეს ფერმენტები დაკავშირებულია მყარ მატარებელთან, როგორიცაა სილიკა გელი, რომელზედაც რეაგენტები გადადის. ამ მეთოდის უპირატესობა ის არის, რომ ის უზრუნველყოფს სუბსტრატების ეფექტურ კონტაქტს ფერმენტთან, პროდუქტების გამოყოფას და ფერმენტის შენარჩუნებას. იმობილიზებული ფერმენტების სამრეწველო გამოყენების ერთ-ერთი მაგალითია D-გლუკოზის იზომერიზაცია ფრუქტოზამდე.

ლიტერატურა

1. გეითსი ბ.კ. კატალიზური პროცესების ქიმია. მ., 1981 წ

2. ბორესკოვი გ.კ. კატალიზი. თეორიისა და პრაქტიკის კითხვები. ნოვოსიბირსკი, 1987 წ

3. განკინ V.Yu., Gankin Yu.V. კატალიზის ახალი ზოგადი თეორია. ლ., 1991 წ

4. Tokabe K. კატალიზატორები და კატალიზური პროცესები. მ., 1993 წ

5. Collier's Encyclopedia. - ღია საზოგადოება. 2000 წ.

კატალიზის ფენომენის გამოვლენილი მახასიათებლები, კერძოდ ის, რომ კატალიზატორი აჩქარებს ქიმიურ გარდაქმნებს ენერგიის მოხმარების გარეშე და პრაქტიკულად თავად კატალიზატორის ნივთიერების მოხმარების გარეშე, კატალიზს აქცევს უაღრესად ღირებულ საშუალებად ქიმიური გარდაქმნების განსახორციელებლად ინდუსტრიაში.

მოკლედ შევეხოთ მხოლოდ ზოგიერთ კატალიზურ ინდუსტრიულ პროცესს. მიუხედავად იმისა, რომ კატალიზის ფენომენები ბუნებაში ძალზედ გავრცელებულია და ადამიანს დიდი ხნის წინ მოუწია მათთან გამკლავება, მრეწველობაში კატალიზის ფართო გამოყენება მხოლოდ მიმდინარე საუკუნეში დაიწყო.

კატალიზური პროცესები გამოიყენება წყალბადის წარმოებისთვის, რომელიც ემსახურება როგორც ნედლეულს ამიაკის სინთეზისთვის და ქიმიურ ტექნოლოგიაში მრავალი სხვა ინდუსტრიისთვის. წყალბადის ყველაზე იაფი წყარო ბუნებრივი აირია. წყალბადის წარმოების პირველი ეტაპი მოიცავს მეთანის ურთიერთქმედებას წყლის ორთქლთან ჟანგბადის ან ჰაერის ნაწილობრივი დამატებით 1130-1270 კ ტემპერატურაზე. კატალიზატორად გამოიყენება სითბოს მდგრად მატარებლებზე დეპონირებული ნიკელი.

ამ რეაქციის შედეგად წყალბადთან ერთად წარმოიქმნება ნახშირბადის მონოქსიდის მნიშვნელოვანი რაოდენობა. ნახშირბადის მონოქსიდის წყლის ორთქლთან დაბალ ტემპერატურაზე რეაგირებით, ოქსიდის კატალიზატორების გამოყენებით, შესაძლებელია CO2-მდე დაჟანგვა და წყალბადის წარმოქმნა. ბოლო დრომდე, ამ რეაქციის კატალიზატორად გამოიყენებოდა Fe3O4 ქრომის ოქსიდის დამატებით. ასეთი კატალიზატორი საკმარისად აქტიურია მხოლოდ 670 კ-ზე ზემოთ ტემპერატურაზე. ამ ტემპერატურაზე რეაქციის წონასწორობაა.

წყლის ორთქლის ჭარბი რაოდენობითაც კი, ის მნიშვნელოვნად გადადის მარცხნივ და საბოლოო რეაქციის ნარევი შეიცავს მნიშვნელოვან რაოდენობას ნახშირბადის მონოქსიდს, რომლის არსებობა მკვეთრად ამცირებს ამიაკის სინთეზის კატალიზატორების აქტივობას. ნარჩენი CO-ს მოსაშორებლად, საჭირო იყო გაზის ნარევის კომპლექსური რეცხვა Cu2O ამიაკის ხსნარით წნევის ქვეშ.

პერ ბოლო წლებიიყო და აღმოაჩინა ახალი კატალიზატორები ნახშირბადის მონოქსიდის წყლის ორთქლთან ურთიერთქმედებისთვის, რომელიც შეიცავს სპილენძს სხვადასხვა სპინელების ან სხვა ოქსიდის ნაერთების სახით. ასეთი კატალიზატორები უზრუნველყოფენ ნახშირბადის მონოქსიდის გარდაქმნის მაღალ სიჩქარეს უკვე 450-560 K ტემპერატურაზე. ამის გამო ნახშირბადის მონოქსიდის საბოლოო შემცველობა შეიძლება შემცირდეს პროცენტის მეათედამდე და რთული სარეცხი ოპერაცია ჩაანაცვლოს უფრო მარტივი პროცესით. დარჩენილი ნახშირბადის მონოქსიდის გარდაქმნა კატალიზატორებისთვის უვნებელ, მათ შორის და ამიაკის, მეთანის სინთეზში:

ეს პროცესი ასევე ტარდება კატალიზურად ნიკელის კატალიზატორების გამოყენებით. ამრიგად, უფრო აქტიური კატალიზატორის შემუშავებამ შესაძლებელი გახადა ტექნოლოგიური სქემის მნიშვნელოვნად გამარტივება.

კიდევ ერთი მაგალითია ნავთობის გადამუშავების კატალიზური პროცესები. 1920-იან წლებში ნავთობის გადამუშავება შემოიფარგლებოდა გასწორებითა და დაშლით მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებისას, ეგრეთ წოდებული თერმული კრეკინგი, კატალიზატორების გამოყენების გარეშე. მხოლოდ 1930-იანი წლების ბოლოს გაკეთდა პირველი მცდელობები, გამოეყენებინათ კატალიზური პროცესები ნავთობის გადამუშავებისთვის.

კატალიზური კრეკინგის გამომგონებელმა, ფრანგმა ინჟინერმა გუდრიმ, კატალიზის II საერთაშორისო კონგრესის მოხსენებაში ყურადღება გაამახვილა იმ ფაქტზე, რომ ამერიკის ნავთობის ინსტიტუტის მიმოხილვაში ნავთობის გადამამუშავებელი ინდუსტრიის მდგომარეობისა და პერსპექტივების მიმოხილვაში, რომელიც გამოქვეყნდა 1935 წელს, სიტყვა "კატალიზი" არასოდეს ყოფილა ნახსენები, მაგრამ რამდენიმე წლის განმავლობაში კატალიზურმა მეთოდებმა გამოიწვია ამ ინდუსტრიის ფუნდამენტური ტრანსფორმაცია. კატალიზის ეფექტურობა იმდენად მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა, რომ რამდენიმე წელიწადში რეალური ტექნოლოგიური რევოლუცია, რამაც შესაძლებელი გახადა, კატალიზატორების გამოყენების საფუძველზე, მკვეთრად გაზარდოს მიღებული საავტომობილო საწვავის მოსავლიანობა და ხარისხი,

ამჟამად ნავთობის 80%-ზე მეტი მუშავდება კატალიზური კრეკინგის, რეფორმირების, გოგირდის ნაერთების ჰიდროგენოლიზის, ჰიდროკრეკინგისა და სხვა კატალიზური პროცესების გამოყენებით. მაგიდაზე. 2.1 აჩვენებს ყველაზე მნიშვნელოვან თანამედროვე კატალიზურ პროცესებს ნავთობის გადამუშავებაში.

კატალიზური კრეკინგი ადრე ხორციელდებოდა 670-770 K ტემპერატურაზე სინთეზური და ბუნებრივი ალუმინის სილიციუმის, სილიციუმ-მაგნიუმის, ალუმინის-სილიკონ-ცირკონიუმის და სხვა მჟავე კატალიზატორების გამოყენებით. ბოლო წლებში კრისტალურ სინთეტიკურ ცეოლიტებზე დაფუძნებულმა კატალიზატორებმა ფართო ინდუსტრიული გამოყენება მიიღეს. ამ კატალიზატორების აქტივობა, განსაკუთრებით იშვიათი დედამიწის ელემენტების ოქსიდების შემცველი, მნიშვნელოვნად აღემატება ამორფული ალუმოსილიკატური კატალიზატორების აქტივობას.

კატალიზატორების გამოყენება შესაძლებელს ხდის არა მხოლოდ გაზარდოს დაბალი მოლეკულური წონის ნახშირწყალბადების წარმოქმნის სიჩქარე, არამედ გაზარდოს ღირებული ფრაქციების გამოსავლიანობა თერმულ კრეკთან შედარებით.

კოქსის მსგავსი საბადოების წარმოქმნის შედეგად, კატალიზატორების აქტივობა სწრაფად მცირდება დაბზარვისას, მაგრამ მისი სრული აღდგენა შესაძლებელია ჟანგბადის შემცველ გარემოში გამოწვით.

განსაკუთრებით ეფექტური დადასტურდა, რომ კრეკინგი წვრილად გაფანტული კატალიზატორის გათხევადებულ კალაპოტში, რაც კატალიზატორის ადვილად ცირკულაციის საშუალებას იძლევა რეაქტორსა და რეგენერატორში.

კატალიზური კრეკინგი არის ყველაზე მაღალი ტონაჟის სამრეწველო კატალიზური პროცესი. ამჟამად იგი ამუშავებს 300 მილიონ ტონაზე მეტ ნავთობს წელიწადში, რაც მოითხოვს ყოველწლიურ მოხმარებას დაახლოებით 300 ათასი ტონა კატალიზატორი.

ცოტა მოგვიანებით, 1950-იან წლებში, კატალიზური რეფორმა ფართოდ გამოიყენებოდა ნავთობგადამამუშავებელ ინდუსტრიაში. ადრე, ეს პროცესი ტარდებოდა 740-790 კ ტემპერატურაზე და 1,5-4 მპა წნევაზე, კატალიზატორად ძირითადად პლატინის გამოყენებით, რომელიც ეყრდნობოდა ალუმინის ოქსიდს, დამუშავებული წყალბადის ქლორიდით მჟავას თვისებების გასაზრდელად. ამჟამად პროცესი მიმდინარეობს 0,8-1,5 მპა-ზე ახალი პოლიმეტალური კატალიზატორების გამოყენების გამო.

რეფორმირების პროცესში ხდება ნაფთენების დეჰიდროგენაციის რეაქციები არომატულ ნახშირწყალბადებამდე, პარაფინებისა და ოლეფინების ციკლიზაცია და ხუთწევრიანი ციკლური ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია ექვსწევრიანებად.

ამჟამად კატალიზური რეფორმირება გამოიყენება წელიწადში 200 მილიონ ტონაზე მეტი ნავთობის დასამუშავებლად. მისმა გამოყენებამ საშუალება მისცა არა მხოლოდ საავტომობილო საწვავის ხარისხის გაუმჯობესება, არამედ მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატული ნახშირწყალბადების წარმოება ქიმიური მრეწველობის საჭიროებისთვის.

წყალბადი კატალიზური რეფორმირების ღირებული პროდუქტია. იაფი წყალბადის გამოჩენამ შესაძლებელი გახადა ფართოდ გამოეყენებინა გოგირდის შემცველი ნავთობპროდუქტების კატალიზური ჰიდრო დამუშავება, მისი გათავისუფლებით H2S სახით. ამ მიზნით შეიძლება გამოყენებულ იქნას ჰიდროგენიზაციის სხვადასხვა კატალიზატორი. ყველაზე ფართოდ გამოყენებული კატალიზატორები მზადდება ალუმინაზე დეპონირებული კობალტისა და მოლიბდენის ოქსიდებისგან. გარდა ამისა, პერსპექტიული კატალიზატორები არის იგივე კატალიზური კომპოზიციები, მაგრამ ცეოლიტების დამატებით.

პროცესის პირობები დამოკიდებულია გასაწმენდი ნედლეულის თვისებებზე, მაგრამ ყველაზე ხშირად მდგომარეობს 600-680 K და 3-5 MPa ფარგლებში. ყოველწლიურად დაახლოებით 300 მილიონი ტონა ნავთობპროდუქტი ჰიდროგადამუშავებულია. ეს პროცესი შესაძლებელს ხდის გოგირდის მნიშვნელოვანი რაოდენობით მიღებას, ხელს უწყობს ნავთობის შემდგომი კატალიზური გადამუშავების პროცესებს და ასევე ამცირებს ატმოსფეროს დაბინძურებას გამონაბოლქვი აირებით საავტომობილო საწვავის წვის დროს.

ბოლო დროს მნიშვნელოვანი განვითარება განიცადა ჰიდროკრეკინგის პროცესმა, რომლის დროსაც ერთდროულად ტარდება კრეკინგის, იზომერიზაციისა და ჰიდროპროცესის რეაქციები. კატალიზატორების გამოყენება შესაძლებელს ხდის ამ პროცესის განხორციელებას 520-740 კ ტემპერატურაზე, წნევა დაახლოებით 5-15 მპა და მივიღოთ დიზელის საწვავის მნიშვნელოვანი გამოსავლიანობა მაღალი ცეტანური რიცხვით. როგორც კატალიზატორები გამოიყენება ვოლფრამის სულფიდი, შერეული ვოლფრამის ნიკელის სულფიდის კატალიზატორები მატარებლებზე, კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორები ალუმინაზე, Ni, Pt, Pd და სხვა ლითონების დამატებით ამორფულ ან კრისტალურ ცეოლიტებზე.

ბენზინის ხარისხის გასაუმჯობესებლად გამოიყენება კატალიზური იზომერიზაციის პროცესები პლატინის და პალადიუმის კატალიზატორების გამოყენებით სხვადასხვა მატარებლებზე.

ზემოაღნიშნულიდან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ კატალიზური მეთოდები ამჟამად წამყვან პოზიციას იკავებს ნავთობის გადამუშავებაში. კატალიზის წყალობით ნავთობიდან მიღებული პროდუქტების ღირებულება რამდენჯერმე გაიზარდა. გაითვალისწინეთ, რომ ეს ტენდენცია დღესაც გრძელდება. ნავთობის ფასების ზრდასთან დაკავშირებით უაღრესად მნიშვნელოვანი ხდება მისი ყველა კომპონენტის მაქსიმალურად გამოყენება. უნდა ვივარაუდოთ, რომ ნავთობის ღირებულების ზრდა გაგრძელდება, რადგან მას თანდათან მოუწევს ნავთობის ისეთ წყაროებზე გადასვლა, რომლებიც ექსპლუატაციისთვის დიდ სირთულეებს წარმოადგენენ. აქედან გამომდინარე, ძალზე მნიშვნელოვანია ნავთობიდან ძვირფასი პროდუქტების მოპოვების ხარისხის გაზრდა, რაც შეიძლება მიღწეული იყოს მოწინავე კატალიზატორების ფართო გამოყენებით.

უნდა ვაღიაროთ, რომ ნავთობის გადამუშავების სიღრმე ჯერ კიდევ მცირეა, ეს გამოწვეულია არა იმდენად ტექნიკური სირთულეებით, რამდენადაც ნავთობპროდუქტების ბალანსით, რომლის ძირითადი ნაწილი ქვაბის საწვავია. ეკონომიკურად, ყოველ შემთხვევაში გრძელვადიან პერსპექტივაში, წამგებიანია. აუცილებელია ნავთობის გადამუშავებაში მეორადი კატალიზური პროცესების წილის მკვეთრი გაზრდა. ქვაბის თხევადი საწვავის საჭიროება უნდა ანაზღაურდეს ქვანახშირის გამოყენებით.

ნავთობის გადამუშავებაში კატალიზური მეთოდების უფრო პერსპექტიული შესაძლებლობაა ზეთებში ნაპოვნი ყველა რთული ნაერთის თანამედროვე პროცესებში თანდაყოლილი გლობალური ტრანსფორმაციის უარყოფა. ამრიგად, გოგირდის ყველა ნაერთი გადის ჰიდროგენოლიზს წყალბადის სულფიდის გამოყოფით. იმავდროულად, ბევრ მათგანს აქვს მნიშვნელოვანი დამოუკიდებელი ღირებულება. იგივე ეხება აზოტის შემცველ, ლითონის კომპლექსს და სხვა ბევრ ნაერთს. ძალიან მნიშვნელოვანი იქნებოდა ამ ნივთიერებების იზოლირება ან მათი ინდივიდუალური კატალიზური ტრანსფორმაციები ღირებული პროდუქტების მისაღებად. ამის მაგალითია გოგირდის შემცველი ექსტრაქტორების წარმოება, როგორიცაა სულფოქსიდები და სულფონები, რომლებიც წარმოიქმნება ზეთებსა და ქვაბის საწვავში შემავალი გოგირდის ნაერთების კატალიზური დაჟანგვის დროს. ეჭვგარეშეა, კატალიზის ეს გზა მნიშვნელოვნად გაზრდის ნავთობის გადამუშავების ეფექტურობას.

კატალიზის გამოყენების სფერო აგრძელებს სწრაფად გაფართოებას და მკვლევარები ახალი მნიშვნელოვანი ამოცანების წინაშე დგანან. ნავთობის ღირებულების მკვეთრ ზრდასთან დაკავშირებით, ფართომასშტაბიანი განვითარება მიმდინარეობს ნახშირისგან თხევადი საწვავის მისაღებად. მეორე მსოფლიო ომის დროს გერმანიაში გამოყენებული ძველი კატალიზური მეთოდების საფუძველზე (ნახ. 2.1). ჰიდროგენიზაციის მეთოდში ახალია ნახშირის ორგანული ნივთიერებების მოპოვება მძიმე ზეთის მისაღებად, რომელიც შემდგომ ექვემდებარება კატალიზურ ჰიდროგენიზაციას წნევის ქვეშ. ძალიან პერსპექტიულია აგრეთვე თხევადი საწვავის სინთეზის მეთოდები გაზიდან, რომელიც შედგება ნახშირბადის მონოქსიდისა და წყალბადისგან, რომელიც მიღებულია ნახშირის გაზიფიცირების შედეგად წყლის ორთქლით. ფიშერ ტროპშის მეთოდი ამჟამად გამოიყენება სამხრეთ აფრიკაში. მისი მინუსი არის ის, რომ მიღებული ბენზინი ძირითადად შედგება ნორმალური პარაფინებისგან, შესაბამისად აქვს დაბალი ოქტანური რიცხვი და საჭიროებს გადამუშავებას. დიზელის ფრაქციას, საწვავის კარგი მახასიათებლებით, აქვს მაღალი ჩამოსხმის წერტილი, რაც გამორიცხავს მის გამოყენებას ჩვენი ქვეყნის პირობებში.

უფრო საინტერესოა ნახშირწყალბადების სინთეზის გზა, რომელიც თავდაპირველად შემოთავაზებული იყო ამერიკული კომპანიის Mobil-ის მიერ, მეთანოლის წარმოქმნისა და მისი შემდგომი დაშლის გზით კატალიზატორზე, რომელიც შეიცავს ულტრა მაღალი სილიციუმის ცეოლითს. მეთანოლის სინთეზი ხორციელდება სპილენძის ოქსიდის შემცველ კატალიზატორზე 5-10 მპა წნევით. მეთანოლის გაუწყლოება არ საჭიროებს მომატებულ წნევას და მიმდინარეობს დიმეთილის ეთერის მეშვეობით ოლეფინების წარმოქმნით. ოლეფინები იმავე კატალიზატორზე წყალბადის გადანაწილების შედეგად წარმოქმნიან იზოპარაფინებისა და არომატული ნახშირწყალბადების ნარევს. ბენზინის ფრაქციის გამომუშავება შეიძლება გაიზარდოს 60-70%-მდე ოქტანური რიცხვით 90-95. დიზელის ფრაქცია ამ პირობებში არის დაახლოებით 10% და აქვს კარგი თვისებები ცეტანის რაოდენობისა და ჩამოსხმის წერტილის თვალსაზრისით.

ასევე შესაძლებელია ნახშირწყალბადების მიღება სინთეზური გაზიდან, მეთანოლის მოპოვების ეტაპის გვერდის ავლით. სინთეზური აირის მეთანოლში გადაქცევის ხარისხი შეზღუდულია რეაქციის შექცევადობით და თანამედროვე მცენარეებში არ აღემატება 4%-ს ციკლში. მრავალფუნქციური კატალიზატორების გამოყენება, რომლებიც ახორციელებენ როგორც მეთანოლის სინთეზს, ასევე მის ნახშირწყალბადებად გადაქცევას, შესაძლებელს ხდის მნიშვნელოვნად გაზარდოს კონვერტაცია ციკლზე და მნიშვნელოვნად გაამარტივოს პროცესი. ეს მეთოდი დადებითად განსხვავდება კლასიკური ფიშერ-ტროპშის პროცესისგან მიღებული ბენზინის ხარისხით და ძალიან დაბალი მეთანის წარმოქმნით, მაგრამ Mobil-ის პროცესისგან განსხვავებით, მისი განხორციელებისას საჭიროა გაზრდილი წნევა 3-5 მპა-ით.

ნახშირწყალბადების წარმოების აღწერილი მეთოდები, როგორც მეთანოლის მეშვეობით, ასევე უშუალოდ პოლიფუნქციური კატალიზატორების გამოყენებით, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბუნებრივი აირისგან თხევადი საწვავის წარმოებისთვის. მიზანშეწონილია ასეთი საწარმოო ობიექტების შექმნა გაზის დიდ ველებთან ახლოს, რათა ხელი შეუწყოს საწვავის ტრანსპორტირებას, რადგან თხევადი საწვავის გადაადგილებისთვის მილსადენები გაცილებით იაფია, ვიდრე გაზის გადაადგილებისთვის. გარდა ამისა, ისინი სასარგებლოა თხევადი საწვავის მიწოდებისთვის ბევრ შორეულ ზონაში გაზით, სადაც თხევადი საწვავის ტრანსპორტირება რთულია.

უახლოეს წლებში, საწვავის წვისთვის მყარი კატალიზატორების გამოყენება უდავოდ გავრცელდება. ამჟამად საწვავი იწვება ძირითადად ცეცხლმოკიდებულ ღუმელებში 1470-1870 K ტემპერატურაზე დაბალი თბოეფექტურობით. შემოთავაზებულია საწვავის წვის მეთოდი კატალიზურ რეაქტორში თხევადი კატალიზატორის კალაპოტში სითბოს ერთდროული მოცილებით საჭირო მიზნებისთვის. კატალიზატორის არსებობის გამო, საწვავის წვა ხორციელდება სრულიად ჭარბი ჰაერის გარეშე საკმარისად დაბალ ტემპერატურაზე - 670-970 კ. რეაქციის მოცულობის თერმული სტრესი გაცილებით მაღალია, ვიდრე ცეცხლმოკიდებულ ღუმელებში, რაც საშუალებას იძლევა რამდენჯერმე შემცირდეს. დანადგარების ზომა და წონა. შემცირებული წვის ტემპერატურა გამორიცხავს მავნე აზოტის ოქსიდის წარმოქმნას. კატალიზური სითბოს გენერატორების, მცირე ზომის ორთქლის ქვაბების, წყლის გასათბობი აპარატურა, ნავთობის გადამუშავების პროცესებში აორთქლებული ზეთის ფრაქციები, თერმული დამუშავების, მყარი მასალების დისპერსიისა და გააქტიურებისთვის, ფხვნილის მასალების გასაშრობად, მარცვლეულის ადსორბციულ-კონტაქტური გასაშრობად. შეიძლება შეიქმნას სასოფლო-სამეურნეო პროდუქტები და მასალები, მგრძნობიარე გადახურების მიმართ და სხვა მიზნებისთვის.

კატალიზის გამოყენების ფართო სფეროა მრეწველობისა და ტრანსპორტიდან გამონაბოლქვის განეიტრალება. ნახშირბადის მონოქსიდის და ორგანული ნაერთების უმეტესი ნაწილის კატალიზური წვის პრობლემა სამრეწველო საწარმოებიდან გაზის გამონაბოლქვში უკვე საიმედოდ მოგვარებულია. ფუნდამენტურად მოგვარებულია აზოტის ოქსიდების კატალიზური შემცირების პრობლემა, ჟანგბადის შემცველ ნარევებში ამიაკის შერჩევითი შემცირების ჩათვლით.

სატრანსპორტო საშუალებების გამონაბოლქვი აირების განეიტრალების ამოცანა გაცილებით რთულია აზოტის ოქსიდების შემცირების და ორგანული ნაერთებისა და ნახშირბადის მონოქსიდის სრული დაჟანგვისთვის აუცილებელი პირობების განსხვავების გამო. მნიშვნელოვან სირთულეებს ქმნის გამონაბოლქვი აირების შემადგენლობის ცვალებადობა, რაც დამოკიდებულია მანქანების მუშაობის პირობებზე. ამასთან, შემუშავებულია კატალიზური საწმენდები, რომლებიც იძლევა გამონაბოლქვი აირების თითქმის სრულ გაწმენდას ნახშირბადის მონოქსიდისა და ორგანული ნაერთებისგან და მნიშვნელოვნად ამცირებს აზოტის ოქსიდების კონცენტრაციას.

კიდევ უფრო რთული ამოცანაა ჩამდინარე წყლების კატალიზური დამუშავება. ცოტა ხნის წინ, გარკვეული წარმატება მიღწეულია ზოგიერთი ინდუსტრიის ჩამდინარე წყლების გაწმენდაში ფენოლებისგან, გოგირდის ნაერთებისა და სხვა მავნე კომპონენტებისგან გარკვეული გარდამავალი ლითონების კომპლექსების, როგორც კატალიზატორების, ასევე რთული კატალიზატორების გამოყენებით, რომლებიც ფიქსირდება მატარებლებზე.

კატალიზური მეთოდები ასევე მნიშვნელოვან განვითარებას მიიღებს კვების პრობლემის გადაჭრის საქმეში. სასუქების წარმოების გარდა, კატალიზი მნიშვნელოვან როლს შეასრულებს არსებითი ამინომჟავების წარმოებაში ცხოველთა საკვების გასაუმჯობესებლად, ჰერბიციდები, ინსექტიციდები და სხვა სამკურნალო საშუალებები, რომლებიც საჭიროა მოსავლის წარმოებისთვის. კატალიზი არის ყველაზე მნიშვნელოვანი მეთოდი მრეწველობაში ქიმიური გარდაქმნების განხორციელებისთვის. ამჟამად, ყველა ქიმიური პროდუქტის დაახლოებით 80% იწარმოება კატალიზური საშუალებებით. ეს წილი სწრაფად იზრდება მრეწველობის მიერ დაუფლებული ქიმიური გარდაქმნების სირთულის გამო. ახალ ინდუსტრიებს შორის კატალიზური პროცესების წილი 90%-ს აღემატება. ქიმიური და მრეწველობის სხვა დარგების პროგრესი დიდწილად დამოკიდებულია კატალიზის განვითარებაზე. მრავალი თერმოდინამიკურად შესაძლო და ეკონომიკურად მომგებიანი პროცესის განხორციელება, ახალი პროდუქტების წარმოება, უფრო მოწინავე ტექნოლოგიური სქემების განხორციელება, ხელმისაწვდომი ნედლეულის გამოყენება - ეს ყველაფერი პერსპექტიული ამოცანებია ახლის ძიებისა და უკვე გამოყენებული კატალიზატორების გასაუმჯობესებლად.

აღნიშნული მაგალითები მოიცავს მრეწველობაში გამოყენებული კატალიზური პროცესების ძალიან მცირე ნაწილს. თუმცა, ზოგიერთი ზოგადი დასკვნა აშკარად გამომდინარეობს მათგან.

1. კატალიზი შესაძლებელს ხდის ქიმიური გარდაქმნების გააქტიურებას, მათ შორის იმ რეაქციებს, რომლებიც არ მიმდინარეობს შესამჩნევი სიჩქარით კატალიზატორის გარეშე.

კატალიზატორები საშუალებას გაძლევთ მიმართოთ ქიმიურ ტრანსფორმაციას კონკრეტული, სასურველი პროდუქტის ფორმირებისკენ რამდენიმე შესაძლო პროდუქტისგან.

რეაქციებში, რომლებიც იწვევს მაღალი მოლეკულური წონის პროდუქტების წარმოქმნას, კატალიზატორების თვისებების ცვალებადობით, შესაძლებელია მიღებული ნივთიერების სტრუქტურის კონტროლი და, ამის გამო, საბოლოო მასალების თვისებები.

კატალიზი სპეციფიკური ფენომენია. არ არსებობს ნივთიერებები, რომლებსაც საერთო ფორმით ექნებოდათ კატალიზური თვისებები. თითოეულმა რეაქციამ უნდა გამოიყენოს თავისი სპეციფიკური კატალიზატორი.

კატალიზი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ერთ-ერთი ყველაზე დინამიურად და სწრაფად განვითარებადი სფეროა. მუდმივად ვითარდება ახალი კატალიზური სისტემები და იხვეწება არსებული, შემოთავაზებულია ახალი კატალიზური პროცესები, იცვლება მათი ინსტრუმენტები და იხვეწება და ჩნდება კატალიზატორების შესწავლის ახალი ფიზიკოქიმიური მეთოდები. ნავთობქიმიური და ნავთობგადამამუშავებელი კომპლექსის საწარმოებში ჩართული ქიმიური პროცესების უმეტესობა კატალიზურია. კატალიზური და კატალიზური ტექნოლოგიების განვითარება დიდწილად განსაზღვრავს ნავთობქიმიური პროდუქტების კონკურენტუნარიანობას ბაზარზე. აქედან გამომდინარე, მწვავედ დგას ნავთობქიმიის კატალიზის დარგში მაღალკვალიფიციური სპეციალისტების მომზადების აუცილებლობის საკითხი.

კატალიზის გამოყენება ქიმიურ მრეწველობაში. კატალიზური პროცესები გამოიყენება წყალბადის წარმოებისთვის, რომელიც ემსახურება როგორც ნედლეულს ამიაკის სინთეზისთვის და მრავალი სხვა ქიმიური ტექნოლოგიური ინდუსტრიისთვის. მეთანის გარდაქმნა.წყალბადის ყველაზე იაფი წყარო ბუნებრივი აირია. წყალბადის წარმოების პირველი ეტაპი მოიცავს მეთანის ურთიერთქმედებას წყლის ორთქლთან ჟანგბადის ან ჰაერის ნაწილობრივი დამატებით 800–1000°C ტემპერატურაზე (რეაქცია 2.1). კატალიზატორად გამოიყენება ნიკელი, რომელიც ეყრდნობა სითბოს მდგრად ალუმინის მატარებლებს (კორუნდი - a-Al 2 O 3).

CH 4 + H 2 O ⇄ 3H 2 + CO (2.1)

CO + H 2 O ⇄ CO 2 + H 2 (2.2)

ამ რეაქციის შედეგად წყალბადთან ერთად წარმოიქმნება ნახშირბადის მონოქსიდი მნიშვნელოვანი რაოდენობით.

CO კონვერტაცია.ნახშირბადის მონოქსიდის ურთიერთქმედება წყლის ორთქლთან ხორციელდება ორ ეტაპად ტემპერატურის დაკლებით ოქსიდის კატალიზატორების გამოყენებით (რეაქცია 2.2), ხოლო წყალბადი დამატებით წარმოიქმნება. პირველ ეტაპზე გამოყენებული იქნა საშუალო ტემპერატურის (435-475°C) რკინა-ქრომის კატალიზატორი (Fe 3 O 4 Cr 2 O 3 დანამატებით); მეორეზე, დაბალი ტემპერატურის (230-280°C) კატალიზატორი (ალუმინის, სპილენძის, ქრომის და თუთიის ოქსიდების ნარევი). ნახშირბადის მონოქსიდის საბოლოო შემცველობა, რომლის არსებობა მკვეთრად ამცირებს რკინის კატალიზატორების აქტივობას ამიაკის სინთეზისთვის, შეიძლება შემცირდეს პროცენტის მეათედამდე.

ნარჩენი CO-ს მოსაშორებლად საჭირო იყო გაზის ნარევის კომპლექსური სარეცხი გამოყენება Cu 2 O ამიაკის ხსნარით მაღალი წნევის 120-320 ატმ და დაბალ ტემპერატურაზე 5-20°C.

პრაქტიკაში სამრეწველო წარმოება CO-დან გაზის გამონაბოლქვის გაწმენდა ხორციელდება კუ-ამიაკის მარილების ხსნარებით (სპილენძის ფორმატები და კარბონატები), რომლებსაც აქვთ CO-სთან რთული ნაერთების წარმოქმნის უნარი. ვინაიდან ფორმატები არ არის ძალიან სტაბილური, უპირატესობა ენიჭება კარბონატულ ხსნარებს.

სპილენძის საწყისი კარბონატ-ამიაკის კომპლექსს აქვს შემდეგი შემადგენლობა (კმოლ/მ 3): Cu + - 1.0 - 1.4; Cu 2+ - 0.08 - 0.12; NH 3 - 4.0 - 6.0; CO 2 - 2.4 - 2.6.

CO-სთან მიმართებაში შთანთქმის უნარი გააჩნია მონოვალენტური სპილენძის მარილებს. Cu 2+ კათიონები, როგორც წესი, არ მონაწილეობენ შეწოვაში. თუმცა, Cu 2+ კონცენტრაცია უნდა შენარჩუნდეს ხსნარში მინიმუმ 10 ვტ. Cu + შემცველობის %. ეს უკანასკნელი ხელს უწყობს ელემენტარული სპილენძის საბადოების წარმოქმნის თავიდან აცილებას, რამაც შეიძლება დაბლოკოს მილსადენები და შეაფერხოს შთანთქმის მუშაობა. სპილენძის კარბონატ-ამიაკის კომპლექსის Cu 2+ არსებობა ხსნარში ცვლის რეაქციის წონასწორობას (1) Cu + : Cu 2+ + Cu ⇄ 2 Cu + (1)

ნახშირორჟანგის შთანთქმისთვის გამოყენებული კარბონატ-ამიაკის სპილენძის კომპლექსის ხსნარი შეიცავს 2 CO 3-ს; CO 3 ; (NH 4) 2 CO 3; თავისუფალი NH 3 და CO 2 .

სპილენძის კარბონატ-ამიაკის კომპლექსით CO-ს შეწოვის პროცესი მიმდინარეობს რეაქციის მიხედვით: + + CO + NH 3 ⇄ + - DH (2)

CO2-თან ერთად, CO2 ასევე შეიწოვება განტოლების მიხედვით:

2 NH 3 + H 2 O + CO 2 ⇄ (NH 4) 2 CO 3 - DH 1 (3)

მეტანიზაცია.ახალი აქტიური ნიკელის კატალიზატორის შემუშავებასთან დაკავშირებით, რთული სარეცხი ოპერაცია შეიძლება შეიცვალოს 250-350°C ტემპერატურაზე ნახშირბადის მონოქსიდის ნარჩენების მეთანის ინერტად გადაქცევის უფრო მარტივი პროცესით ამიაკის სინთეზის კატალიზატორისთვის (რეაქცია 2.3):

CO + 3H 2 ⇄ CH 4 + H 2 O (2.3)

ამრიგად, უფრო აქტიური კატალიზატორის შემუშავებამ შესაძლებელი გახადა ტექნოლოგიური სქემის მნიშვნელოვნად გამარტივება და ამიაკის წარმოების ეფექტურობის გაზრდა.

კატალიზის გამოყენება ნავთობგადამამუშავებელ ინდუსტრიაში. კატალიზის გამოყენების ეფექტურობა იმდენად მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა, რომ რამდენიმე წელიწადში მოხდა ნამდვილი ტექნიკური რევოლუცია ნავთობგადამამუშავებელ ინდუსტრიაში, რამაც შესაძლებელი გახადა მკვეთრად გაზრდილიყო, როგორც საავტომობილო საწვავის საწვავის სარგებელი, ასევე ხარისხი. კატალიზატორების გამოყენების შესახებ.

ამჟამად ნავთობის 80%-ზე მეტი მუშავდება კატალიზური პროცესების გამოყენებით: კრეკინგი, რეფორმირება, ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია და ჰიდროგენიზაცია, გოგირდის შემცველი ნაერთებიდან ნავთობის ფრაქციების ჰიდრო დამუშავება, ჰიდროკრეკინგი. ცხრილში 2.1 ჩამოთვლილია ნავთობის გადამუშავების ყველაზე მნიშვნელოვანი თანამედროვე კატალიზური პროცესები.

ბზარი.ზეთის ან მისი ფრაქციების კატალიზური კრეკინგი არის დესტრუქციული პროცესი, რომელიც ხორციელდება 490-540°C ტემპერატურაზე მჟავე ბუნების სინთეზურ და ბუნებრივ ალუმინის სილიკატურ კატალიზატორებზე მაღალი ხარისხის ბენზინის წარმოებისთვის ოქტანური რეიტინგით 98-92, მნიშვნელოვანი რაოდენობით. გაჯერებული და უჯერი ნახშირწყალბადების შემცველი გაზები C 3 - C 4, ნავთი-გაზის ნავთობის ფრაქციები, ნახშირბადის შავი და კოქსი.

ოქტანური რიცხვი (O.ch.) - კარბურატორულ ძრავებში წვის დროს მსუბუქი (ბენზინი, ნავთი) საავტომობილო საწვავის დეტონაციის წინააღმდეგობის პირობითი მაჩვენებელი. საცნობარო საწვავი არის იზოოქტანი (O.p. = 100), ნორმალური ჰეპტანი (O.p. = 0). ბენზინის ოქტანური რიცხვი არის იზოოქტანის პროცენტი (მოცულობით) მის ასეთ ნარევში n-ჰეპტანთან, რომელიც სპეციალურ ერთცილინდრიან ძრავზე სტანდარტული ტესტირების პირობებში აფეთქდება ისევე, როგორც გამოსაცდელი ბენზინი.

ბოლო წლებში კრისტალურ სინთეტიკურ ცეოლიტებზე დაფუძნებულმა კატალიზატორებმა ფართო ინდუსტრიული გამოყენება მიიღეს. ამ კატალიზატორების აქტივობა, განსაკუთრებით მათ, რომლებიც შეიცავს იშვიათი დედამიწის ელემენტების ოქსიდების ნარევს (СеО 2, La 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 და სხვა), ბევრად აღემატება ამორფულ ალუმოსილიკატურ კატალიზატორებს.

კატალიზატორების გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ ნაფთენებისგან დაბალი მოლეკულური წონის ნახშირწყალბადების წარმოქმნის სიჩქარის გაზრდა 500-4000-ჯერ, არამედ გაზარდა ღირებული ფრაქციების მოსავლიანობა თერმული კრეკინგთან შედარებით.

რეფორმირება.კატალიზური რეფორმირება ტარდება 470-520°C ტემპერატურაზე და 0,8-1,5 მპა წნევაზე Pt, ხელახალი კატალიზატორები, რომლებიც ეყრდნობიან ალუმინის ოქსიდს, დამუშავებული წყალბადის ქლორიდით მჟავას თვისებების გასაზრდელად. რეფორმირება არის ნავთობპროდუქტების გადამუშავების მეთოდი, ძირითადად ბენზინი და ნავთობის ნაფთა ფრაქციები (ნახშირწყალბადები C 6-C 9 სამი ძირითადი კლასიდან: პარაფინი, ნაფთენური და არომატული) მაღალი ოქტანური ძრავის ბენზინის, არომატული ნახშირწყალბადების (ბენზოლი, ტოლუოლი) მისაღებად. , ქსილენი, ეთილბენზოლი) და ტექნიკური წყალბადი. რეფორმირების პროცესში ხდება ნაფთენების დეჰიდროგენაციის რეაქციები არომატულ ნახშირწყალბადებამდე, პარაფინებისა და ოლეფინების ციკლიზაცია და ხუთწევრიანი ციკლური ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია ექვსწევრიანებად. ამჟამად კატალიზური რეფორმირება გამოიყენება წელიწადში 200 მილიონ ტონაზე მეტი ნავთობის დასამუშავებლად. მისი გამოყენება საშუალებას აძლევდა არა მხოლოდ საავტომობილო საწვავის ხარისხის გაუმჯობესებას, არამედ მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატული ნახშირწყალბადების წარმოებას ქიმიური მრეწველობისთვის. კატალიზური რეფორმირების ქვეპროდუქტებია საწვავი გაზი, რომელიც შედგება ძირითადად მეთანისა და ეთანისგან, აგრეთვე თხევადი აირის - პროპან-ბუტანის ფრაქციისგან.

ნავთობპროდუქტების ჰიდრო დამუშავება.წყალბადი კატალიზური რეფორმირების ღირებული პროდუქტია. იაფი წყალბადის გამოჩენამ შესაძლებელი გახადა გოგირდის, აზოტის და ჟანგბადის შემცველი ნაერთებისგან ნავთობპროდუქტების კატალიზური ჰიდრო დამუშავების ფართო გამოყენება, შესაბამისად ადვილად მოსახსნელი H 2 S, NH 3 და H 2 O წარმოქმნით (რეაქცია 2.4. - 2.7):

CS 2 + 4H 2 ⇄ 2H 2 S + CH 4 (2.4)

RSH + H 2 ⇄ H 2 S + RH (2.5)

COS + 4H 2 ⇄ H 2 S + CH 4 + H 2 O (2.6)

RNH + 3/2H 2 ⇄ NH 3 + RH (2.7)

ამავდროულად, ხდება დიენების ჰიდროგენიზაცია, რაც ზრდის პროდუქტის სტაბილურობას. ამ მიზნით ყველაზე ფართოდ გამოიყენება კატალიზატორები, რომლებიც მზადდება კობალტის (2-5 wt.%) და მოლიბდენის (10-19 wt.%) ოქსიდებისგან ან γ-ალუმინაზე დეპონირებული ნიკელის და მოლიბდენის ოქსიდებისგან.

ჰიდრო დამუშავება შესაძლებელს ხდის წელიწადში 250-300 ათას ტონამდე ელემენტარული გოგირდის მიღებას. ამისათვის განახორციელეთ Claus პროცესი:

2H 2 S + 3O 2 ⇄ 2SO 2 + 2H 2 O (2.8)

2H 2 S + SO 2 ⇄ 3S + 2H 2 O (2.9)

H 2 S-ის ნაწილი იჟანგება ატმოსფერული ჟანგბადით γ-Al 2 O 3-მდე 200-250°C-ზე (რეაქცია 2.8); H 2 S-ის მეორე ნაწილი რეაგირებს გოგირდის დიოქსიდთან გოგირდის წარმოქმნით (რეაქცია 2.9).

ჰიდრო დამუშავების პირობები დამოკიდებულია გასაწმენდი ნედლეულის თვისებებზე, მაგრამ ყველაზე ხშირად 330-410°C და 3-5 მპა-ის ფარგლებშია. ყოველწლიურად დაახლოებით 300 მილიონი ტონა ნავთობპროდუქტი (ბენზინი და ნავთის ფრაქციები, დიზელის საწვავი, ვაკუუმ დისტილატები, პარაფინები და ზეთები) ჰიდროპროდუცირებულია. ნავთობის გადამუშავებაში ჰიდროპროცედურების ეტაპის განხორციელებამ შესაძლებელი გახადა ნედლეულის მომზადება კატალიზური რეფორმირებისთვის (ბენზინი) და კრეკინგისთვის (ვაკუუმ დისტილატები), დაბალი გოგირდის განათების ნავთის და საწვავის მიღება, პროდუქციის ხარისხის გაუმჯობესება (პარაფინები და ზეთები). ) და ასევე აქვს მნიშვნელოვანი გარემოზე ზემოქმედება, ვინაიდან მცირდება ატმოსფერული დაბინძურება გამონაბოლქვი აირებით.გაზები საავტომობილო საწვავის წვის შედეგად.ჰიდროპროცედურების დანერგვამ შესაძლებელი გახადა გოგირდის მაღალი შემცველობის ზეთების გამოყენება ნავთობპროდუქტების მისაღებად.

ჰიდროკრეკინგი.ბოლო დროს მნიშვნელოვანი განვითარება განიცადა ჰიდროკრეკინგის პროცესმა, რომლის დროსაც ერთდროულად ტარდება კრეკინგის, იზომერიზაციისა და ჰიდროპროცესის რეაქციები. ჰიდროკრეკინგი არის სხვადასხვა ფრაქციული შემადგენლობის ნედლეულის ღრმად გარდაქმნის კატალიზური პროცესი წყალბადის თანდასწრებით მსუბუქი ნავთობპროდუქტების მისაღებად: ბენზინი, თვითმფრინავი და დიზელის საწვავი, თხევადი აირები C 3-C 4.მრავალფუნქციური კატალიზატორების გამოყენება შესაძლებელს ხდის ამ პროცესის განხორციელებას 400-450°C ტემპერატურაზე და დაახლოებით 5-15 მპა წნევაზე. კატალიზატორებად გამოიყენება ვოლფრამის სულფიდი, შერეული ვოლფრამი-ნიკელის სულფიდის კატალიზატორები მატარებლებზე, კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორები ალუმინაზე, Ni, Pt, Pd და სხვა ლითონების დამატებით ამორფულ ან კრისტალურ ცეოლიტებზე.

ცხრილი 2.1 - ნავთობის გადამუშავების თანამედროვე კატალიზური პროცესები

იზომერიზაცია.ბენზინის ხარისხის გასაუმჯობესებლად დაამატეთ 10-15 wt.% იზომერიზატი მაღალი ოქტანური რიცხვით. იზომერიზატი არის გაჯერებული ალიფატური (მოლეკულებში ციკლები არ არის) ნახშირწყალბადების ნაზავი (65 wt.% 2-მეთილბუტანზე მეტი; იზოჰექსანები), მიღებული ალკანების (ნორმალური გაჯერებული პარაფინების) იზომერიზაციით. იზომერიზაციის ნედლეული არის ნავთობის პირდაპირი დისტილაციის მსუბუქი ბენზინის ფრაქცია, რომელიც დუღს 62-85°C დიაპაზონში და შეიცავს ძირითადად პენტანს და ჰექსანს, აგრეთვე ფრაქციას (75-150°C), რომელიც მიიღება კატალიზური კრეკინგით. კატალიზური იზომერიზაციის პროცესები მიმდინარეობს ორფუნქციური კატალიზატორების თანდასწრებით: პლატინის ან პალადიუმის სხვადასხვა მჟავე მატარებლებზე (γ-Al 2 O 3, ცეოლიტი), რომლებიც ხელს უწყობს ჰალოგენს (Cl, F). იზომერიზაცია არის ორგანული ნივთიერებების გარდაქმნა სხვადასხვა სტრუქტურის ნაერთებად (სტრუქტურული იზომერიზმი) ან სივრცეში ატომების ან ჯგუფების განსხვავებული განლაგებით (სივრცითი იზომერიზმი) შემადგენლობისა და მოლეკულური წონის შეცვლის გარეშე.

ამრიგად, კატალიზური პროცესები წამყვან ადგილს იკავებს ნავთობის გადამუშავებაში. კატალიზის წყალობით ნავთობიდან მიღებული პროდუქტების ღირებულება რამდენჯერმე გაიზარდა.

ნავთობის გადამუშავებაში კატალიზური მეთოდების უფრო პერსპექტიული შესაძლებლობაა ზეთებში ნაპოვნი ყველა რთული ნაერთის თანამედროვე პროცესებში თანდაყოლილი გლობალური ტრანსფორმაციის უარყოფა. ამრიგად, გოგირდის ყველა ნაერთი გადის ჰიდროგენოლიზს წყალბადის სულფიდის გამოყოფით. იმავდროულად, ბევრ მათგანს აქვს მნიშვნელოვანი დამოუკიდებელი ღირებულება. იგივე ეხება აზოტის შემცველ, ლითონის კომპლექსს და სხვა ბევრ ნაერთს. ძალიან მნიშვნელოვანი იქნებოდა ამ ნივთიერებების იზოლირება ან მათი ინდივიდუალური კატალიზური ტრანსფორმაციები ღირებული პროდუქტების მისაღებად. ამის მაგალითია გოგირდის შემცველი ექსტრაქტორების წარმოება, როგორიცაა სულფოქსიდები და სულფონები, რომლებიც წარმოიქმნება ნავთობისა და ქვაბის საწვავში შემავალი გოგირდის ნაერთების კატალიზური დაჟანგვის დროს. ეჭვგარეშეა, კატალიზის ეს გზა მნიშვნელოვნად გაზრდის ნავთობის გადამუშავების ეფექტურობას.

ჰეტეროგენული კატალიზი

ლექცია 2

გასული ათწლეულების განმავლობაში, ქიმიური და ნავთობგადამამუშავებელი მრეწველობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა და ძლიერი გავლენა მოახდინა ქვეყნების ეკონომიკაზე. მაგალითად, ნავთობის გადამუშავება მსოფლიო ეკონომიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი სექტორია: მსოფლიოში ყოველწლიურად 500 მილიარდ აშშ დოლარზე მეტი ღირებულების დაახლოებით 3,5 მილიარდი ტონა ნავთობი მუშავდება, ხოლო ნავთობგადამამუშავებელი პროდუქტების ღირებულება ტრილიონ დოლარს შეადგენს. თანამედროვე ქიმიური და ნავთობგადამამუშავებელი ინდუსტრიის ძირითადი საფუძველია კატალიზური ტექნოლოგიები და პროცესები.

ახალი კატალიზატორებისა და სორბენტების შემუშავება, მათი დიაპაზონის განახლება, გამოყენების გაფართოება სხვადასხვა სფეროებშიგანსაზღვრავს ქვეყნის ეკონომიკის ტექნიკურ დონეს და პროგრესს. კატალიზატორები და სორბენტები წარმოადგენენ მაღალი მეცნიერების ინტენსიური გამოყენების პროდუქტებს მრავალ ინდუსტრიაში, რადგან მათი გამოყენების სფეროები მოიცავს ქიმიურ, ნავთობქიმიურ, ნავთობგადამამუშავებელ, კვების, მსუბუქ, მეტალურგიულ მრეწველობას, რომლებიც გავლენას ახდენენ ყველა სახის ინდუსტრიის ეკოლოგიურ ასპექტებზე.

დღეისათვის მშპ-ს 15%-ზე მეტი (მთლიანი შიდა პროდუქტი) კატალიზატორების გამოყენებით იწარმოება რუსეთში, აშშ-ში ეს წილი 50%-ზე მეტია. წარმოების თვითღირებულებაში, რომლის შექმნისას გამოიყენება კატალიზატორები, მათი წილი არაუმეტეს 0,5 - 1,0%-ია, თუმცა, სწორედ კატალიზატორები არიან, რომლებიც დიდწილად განსაზღვრავენ პროდუქტის საბოლოო ღირებულებას და ხარისხს. მათი გადამწყვეტი მნიშვნელობა, უპირველეს ყოვლისა, გავლენას ახდენს დიდი ტონაჟის სამრეწველო საბაზისო პროდუქციის რესურსების დაზოგვასა და ენერგოეფექტურობაზე, ხოლო კატალიზატორების ერთი თაობიდან უფრო მაღალეფექტურ კატალიზურ სისტემებზე გადასვლა უზრუნველყოფს ქვეპროდუქტების რაოდენობის მნიშვნელოვან შემცირებას. რამდენჯერმე. კატალიზატორების ბაზრის მთლიანი მოცულობა მსოფლიოში დაახლოებით 15-20 მილიარდი აშშ დოლარია, კატალიზატორების გამოყენებით სხვადასხვა ინდუსტრიაში იწარმოება 2 ტრილიონ დოლარზე მეტი ღირებულების პროდუქცია. ᲐᲨᲨ. წამყვანი კომპანიები მუდმივად ავითარებენ ახალ და აუმჯობესებენ არსებულ კატალიზატორებს. მსოფლიო ბაზარზე კატალიზატორების დიაპაზონი საშუალოდ 15-20%-ით განახლებულია, ხოლო უცხოური კატალიზატორების დიაპაზონი რამდენჯერმე აღემატება შიდა სიას.

კატალიზატორების გამოყენება არის ყველაზე ეფექტური და ეკონომიური გზა გარემოსდაცვითი პრობლემების გადასაჭრელად და რესურსების რაციონალური გამოყენებისათვის მათი გადამუშავების გაღრმავებისა და გამოუყენებელი ქვეპროდუქტების ჩართვით.

კატალიზური პროცესების წილი სტრატეგიაში მნიშვნელოვანი ინდუსტრიებიმრეწველობა - საავტომობილო საწვავის, მონომერების (ეთილენი, პროპილენი, ბუტენები, ბუტადიენი და სხვა), არომატული ნაერთების წარმოება - აღწევს 90%-ს, ხოლო საშინაო კატალიზატორების გამოყენება არ აღემატება 50%-ს. მაღალი ხარისხის პროდუქციის წარმოება, რომელიც აკმაყოფილებს საერთაშორისო საოპერაციო და გარემოსდაცვით მოთხოვნებს, დიდად არის დამოკიდებული მეორად პროცესებზე, რომლებშიც კატალიზატორების როლი და მათი თვისებები უმნიშვნელოვანესია.

ქიმიური და ნავთობგადამამუშავებელი მრეწველობის ყველაზე ფართომასშტაბიანი წარმოებაა გოგირდის და აზოტის მჟავის, ამიაკის, მეთანოლის, კატალიზური კრეკინგი, რეფორმირება, ჰიდროგამამუშავებელი და სხვა. ამ პროცესების კატალიზატორები განსხვავდება ქიმიური შემადგენლობით, მომზადებისა და გამოყენების მეთოდით და მოქმედების ხანგრძლივობით.

ასე, მაგალითად, კრეკიანი კატალიზატორები მოქმედებენ მოძრავი კალაპოტის პირობებში, რეაქტორიდან რეგენერატორში გადაადგილებისას, ხოლო კატალიზატორის ნაწილაკების მძიმე დეფორმაცია ხდება და ის გადადის რეაქტორისა და რეგენერატორის ციკლონებში. საშუალოდ, ინსტალაციის სახეობიდან გამომდინარე, კატალიზური კრეკინგის სისტემაში ერთდროულად იტვირთება 250-დან 400 ტონამდე კატალიზატორი, ხოლო შეუქცევადი დანაკარგები მერყეობს 0,2-დან 1,0 კგ-მდე 1 ტონა ნახშირწყალბადის საკვებ მასალაზე. საერთო ჯამში, კრეკინგის განყოფილების ერთი დატვირთვა არის 500-დან 1000 ტონამდე ახალი კატალიზატორი.

ჰიდროგამამუშავებელი კატალიზატორები (ალუმინის-კობალტ-მოლიბდენი, ალუმინის-ნიკელ-მოლიბდენი და სხვა მოდიფიცირებული კატალიზატორები) და რეფორმირებადი (ალუმინ-პლატინის და პლატინის დაფუძნებული პოლიმეტალური კატალიზატორები) ძალიან განსხვავდება კრეკინგის კატალიზატორებისგან (ცეოლიტის შემცველი კატალიზატორები). ეს არის გრძელვადიანი კატალიზატორები, ისინი იტვირთება რეაქტორებში 5-10 წელიწადში ერთხელ, მაგრამ ამ კატალიზატორების ღირებულება 3-4-ჯერ მეტია.

ამ მხრივ ყველაზე მეტად კატალიზატორებია წარმოდგენილი მაღალი მოთხოვნები:

მათ უნდა ჰქონდეთ მაღალი აქტივობა ნედლეულის ტრანსფორმაციაში,

ისინი უნდა იყვნენ მაღალი შერჩევითი სამიზნე პროდუქტების ფორმირებაში, სულ მცირე, 85-90%, რადგან დაბალი სელექციურობისას, ქვეპროდუქტების მოსავლიანობა მნიშვნელოვნად იზრდება, რაც ამცირებს პროცესის მომგებიანობას,

ისინი უნდა იყვნენ სტაბილური და უნდა ჰქონდეთ საკმარისად მაღალი რეგენერაციის და მომსახურების ვადა.