دانلود پایان نامه بررسی فعالیت و انتخاب پذیری کاتالیست های اکسایشی- کاهشی (Redox)

اختصاصی از کوشا فایل دانلود پایان نامه بررسی فعالیت و انتخاب پذیری کاتالیست های اکسایشی- کاهشی (Redox) دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

بررسی فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی (Redox) در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال

لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*

فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت) + به همراه نسخه PDF

تعداد صفحه:101

فهرست مطالب :

چکیده                                                                                                                        1

پیش گفتار                                                                                                                    3

فصل اول

1-1- مقدمه                                                                                                                4

1-2- زوج شدن اکسایشی متان                                                                                    6

1-3- مکانیزم واکنش                                                                                                  9

1-4- کاتالیست‌های فرآیند زوج شدن اکسایشی متان                                                     13

     1-4-1- فلزات قلیایی و قلیایی خاکی                                                                         15

     1-4-2- لانتانیدها و اکتنیدها                                                                                    15

     1-4-3- فلزات واسطه                                                                                              16

1-5- راکتورهای فرآیند OCM                                                                                    16

     1-5-1- راکتور بستر ثابت                                                                                         17

     1-5-2- راکتور غشایی                                                                                             19

     1-5-3- راکتور بستر سیال                                                                                       20

فصل دوم: سیال سازی

2-1- مقدمه                                                                                                               22

2-2- پدیده سیالیت                                                                                                    22

2-3- نمودار افت فشار در مقابل سرعت                                                                        25

2-4- رفتار مایع مانند یک بستر سیال                                                                          28

2-5- مزایا و معایب بسترهای سیال برای عملیات صنعتی                                               28

     2-5-1- مزایا                                                                                                           28

     2-5-2- معایب                                                                                                        29

2-6- درهم آمیختن و بهم پیوستن ذرات در دمای بالا                                                     30

2-7- انواع سیالیت گازی بدون حمل ذرات                                                                     31

2-8- طبقه بندی Geldart از ذرات                                                                             32

فصل سوم: زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال

3-1- مقدمه                                                                                                               35

3-2- تاثیر دما و ترکیب خوراک گاز                                                                              36

3-3- اثر سرعت گاز                                                                                                   39

3-4- اثر ارتفاع بستر                                                                                                 41

3-5- اثر اندازه ذرات                                                                                                   44

3-6- اثر حضور اتان در خوراک                                                                                    45

3-7- اثر رقیق کردن بستر کاتالیستی با جامد بی‌اثر روی عملکرد راکتور                          46

3-8- عوامل دیگر                                                                                                      47

     3-8-1- اثر ماکزیمم قطر حباب                                                                                47

     3-8-2- اثر دما در بخش بالایی بستر                                                                        47

     3-8-3- اثر توزیع خوراک اکسیژن و طراحی توزیع کننده ثانوی                                   48

فصل چهارم: فعالیتهای تجربی

بررسی واکنش زوج شدن اکسایشی متان روی کاتالیست Mn/Na2WO4/SiO2                  50

4-1- روش ساخت کاتالیست                                                                                        50

4-2- تعیین مشخصات کاتالیست                                                                                 51

4-3- بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست در حالت گذرا                                  51

4-4- بررسی عملکرد کاتالیست                                                                                   55

4-5- بررسی کاتالیست از دید سیالیت                                                                          56

4-6- سیستم تست عملکرد کاتالیست در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان                     57

     4ـ6ـ1ـ بخش خوراک دهی                                                                                       57

     4-6-2- نوع راکتور آزمایشگاهی                                                                               59

4-7- سیستم آنالیز                                                                                                    60

4-8- کالیبراسیون سیستم آزمایشگاهی                                                                      61

     4-8-1- کالیبراسیون کنترل کننده‌ جریان جرمی (MFC) و روتامتر                             62

     4ـ8ـ2ـ کالیبراسیون دستگاه GC                                                                           63

     4-8-3- ارائة نمونة محاسبات کالیبراسیون و نتایج حاصل از بررسی عملکرد                 63

     4-8-4- محاسبات درصد تبدیل متان، انتخاب‌پذیری محصولات و موازنه کربن               64

     4-8-4-1- درصد تبدیل متان                                                                                   64

     4-8-4-2- انتخاب‌پذیری محصولات                                                                          65

     4-8-4-3- موازنه کربن                                                                                           66

فصل پنجم: نتایج و بحث

5-1- نتایج تعیین مشخصات کاتالیست                                                                          68

5-2- نتایج بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست                                               69

5-3- نتایج تست عملکرد کاتالیست                                                                            77

     5-3-1- اثر دما                                                                                                       77

     5-3-2- اثر دبی خوراک                                                                                           80

     5-3-3- اثر ترکیب خوراک                                                                                      86

فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات                                                                       88

مراجع                                                                                                                          91

پیوست‌ها                                                                                                                     96

ضمیمه – الف                                                                                                               96

ضمیمه – ب                                                                                                                 98

چکیده :

در این تحقیق فرآیند زوج شدن اکسایشی متان روی کاتالیستهای دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی در راکتور بستر سیال بررسی شد. بدین منظور کاتالیست Mn-Na2WO4/SiO2 بعنوان یک کاتالیست دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی انتخاب شد. بمنظور بررسی خاصیت فوق در این کاتالیست آزمایشهای حالت گذرا طراحی و انجام شد. سپس به بررسی شرایط مختلف واکنشی روی این کاتالیست در راکتور بستر سیال پرداختیم.

در آزمایشهای حالت گذرا خوراک متان بدون حضور اکسیژن در فاز گاز به صورت یک تغییر پله‌ای روی کاتالیست فرستاده شد و واکنش زوج شدن اکسایشی متان مورد برسی قرار گرفت. خروجی راکتور توسط دو سیستم GC و GC-MS مورد آنالیز قرار گرفت. اثر دماهای مختلف عملیاتی در میزان تولید محصولات زوج شدن نشان داد که کاتالیست مزبور دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی است و با افزایش دمای بستر کاتالیستی میزان تحرک اکسیژن شبکه افزایش یافته و بدین ترتیب افزایش در تولید محصولات را شاهد خواهیم بود. اکسیداسیون مجدد بستر کاتالیستی با اکسیژن و تکرار آزمایشها و نتایج دلیل خوبی در تأیید خاصیت اکسایشی-کاهشی کاتالیست است.

در بخش دوم آزمایشهای حالت گذرا در دو دمای 800 و oC850 و با همان شرایط قبلی تکرار شد و درصد تبدیل متان، درصد مولی اجزاء و انتخاب‌پذیری محصولات مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که ابتدا میزان تبدیل متان بالا است و سپس با کاهش اکسیژن کاتالیست و همچنین کاهش سرعت در اختیار قرار دادن آن، میزان تبدیل متان کاهش قابل توجهی می‌یابد.

با توجه به نمودار اجزای مولی محصولات بر حسب زمان در زمانیکه میزان تبدیل بالا است عمده محصولات واکنش زوج شدن C2H6 , C2H4 است. به عبارت دیگر در دقایق اولیه انتخاب پذیری C2+ بالا است ولی با گذشت زمان انتخاب‌پذیری افت محسوس داشته و امکان تشکیل CO روی کاتالیست افزایش می‌یابد. تغییرات فوق در دمای oC850 بدلیل سهولت در اختیار قرار گیری اکسیژن کاتالیست شدیدتر است.

سپس تستهای بررسی عملکرد در راکتور بستر سیال و در شرایط مختلف عملیاتی مورد بررسی قرار گرفت. اثر دمای بستر کاتالیستی، سرعت ظاهری گاز ورودی (دبی حجمی خوراک) و میزان اکسیژن در خوراک ورودی روی بازده و انتخاب‌پذیری کاتالیست پارامترهایی عملیاتی مورد تحقیق بودند و در نهایت مقایسه بین عملکرد بستر ثابت و سیال در شرایط یکسان انجام شد. هنگام انجام فرآیند OCM در بستر سیال، دستیابی به شرایط همدما که اساساً بواسطه اختلاط معکوس فاز جامد می‌باشد، ممکن شد. بالاترین بازده C2+ بدست آمده در راکتور بستر سیال در حدود 9/21% (سرعت ورودی گاز= cm/s 3/4 (دبی حجمی خوراک= sccm478)، دمای بستر کاتالیستی= °C870، 1=Air/ CH4و وزن کاتالیست= g5/3) بود. انتخاب‌پذیری C2+ با افزایش دما هم برای بستر سیال و هم برای بستر ثابت افزایش می‌یابد ولی در گستره دمایی وسیعی از تغییرات دمایی تقریباً ثابت و همواره در بستر سیال بیشتر از بستر ثابت است.

افزایش سرعت ورودی گاز (دبی خوراک) ورودی از 1/2 تا cm/s 1/12 (240 تا sccm 1355) باعث کاهش درصدتبدیل و انتخاب‌پذیری C2+ به ترتیب از مقدار 1/27% به 1/6% و 9/67% به 5/61% می‌شود (1=Air/CH4 و دمای بستر کاتالیستی= °C850).

کاهش میزان اکسیژن موجود در خوراک باعث افزایش انتخاب‌پذیری C2+ از 3/55% به 6/71% و کاهش درصد تبدیل متان از 2/32% به 6/25% می‌شود.

کلمات کلیدی:

زوج شدن اکسایشی متان- راکتور بستر سیال - کاتالیست-اکسایشی کاهشی- حالت گذرا

پیش­گفتار

متان جزء اصلی گاز طبیعی است که امروزه بعنوان سوختی پاک و نسبتاً ارزان بکار می‌رود. حجم عظیم گاز طبیعی در جهان که حدود 17% آن در کشور ایران است و همچنین مزایای اقتصادی بسیار بالای تبدیل متان به دیگر سوختها و یا مواد شیمیایی با ارزش‌تر، سبب گردیده تحقیقات گسترده‌تری نسبت به گذشته در طی دو دهه اخیر بر روی روشهای تبدیل متان به سوختهای هیدروکربنی مایع، اتیلن، دی متیل اتر، متانول و ... متمرکز گردد. همچنین به دلیل غیر اقتصادی بودن انتقال گاز طبیعی به مراکز مصرف دور دست، تبدیل متان به مواد واسطه پتروشیمیایی و هیدروکربنهای مایع که به فرآیندهای OCM و GTL موسوم است، از دیر باز از اهمیت بسزایی برخوردار بوده است. گاز طبیعی، در آغاز هزاره سوم، دومین منبع انرژی ارزان موجود در جهان بوده و فراروانی و در دسترس بودن نسبی این گاز دلائل متقاعد کننده‌ای برای گسترش تحقیقات پیرامون این منبع می‌باشد. از طرفی نیاز جهانی به متانول و اتیلن بعنوان دو محصول عمده مطلوب ناشی از تبدیل گاز طبیعی، روزبه روز در حال افزایش بوده و امکان تولید اتیلن از متان، توجه مراکز تحقیقاتی دانشگاهی و صنعتی متعددی را جلب نموده است.

فرآیند تبدیل مستقیم متان به سایر مواد شیمیایی، به فرآیند زوج شدن اکسایشی متان (Oxidative Coupling of Methane) موسوم است که در آن متان با اکسیژن به اتان و اتیلن تبدیل می‌گردد که اتان هم به نوبه خود به اتیلن تبدیل می‌شود. محصولات ناخواسته اکسید‌های کربن هم طی این فرآیند تولید می‌شوند.

این فرآیند از سال 1980 مورد توجه قرار گرفت و کاتالیست‌های فراوانی جهت افزایش بازدهی این واکنش به کار گرفته شد. اما علاوه بر نوع کاتالیست، نوع راکتور و نحوه خوراک‌دهی تأثیر زیادی روی بازده و عملکرد این فرآیند دارد که در فصل اول این پایان نامه به طور مختصر روی انواع کاتالیستهای مورد استفاده و همچنین راکتورهای بکار گرفته شده بحث خواهیم کرد.

اما از عمده‌ترین موانع در توسعه فرآیند زوج شدن اکسایشی متان تولید دمای بالا در حین واکنش و بالتبع کاهش انتخاب‌پذیری نسبت به محصولات مطلوب است. بنابراین، محققین تلاش کردند تا با بکارگیری مهندسی واکنشها و طراحی راکتورهای مناسب جهت رفع این مشکل برآیند. یکی از این پیشنهادها بکار‌گیری راکتور‌های بستر سیال بود که در فصل دوم به مبانی مهندسی سیال سازی و در فصل سوم به تاریخچه علمی استفاده از این راکتور در فرآیند OCM پرداخته شده است.

فصل چهارم به توضیح روشهای انجام آزمایش‌ها اختصاص یافت. به دلیل اهمیت خاصیت اکسایشی- کاهشی کاتالیست در بهبود انتخاب‌پذیری محصولات اتان و اتیلن در این فرآیند، کاتالیست مورد استفاده در این تحقیق از میان کاتالیستهایی که دارای بالاترین بازده بوده و دارای خاصیت اکسایشی- کاهشی باشد انتخاب شد. به این ترتیب کاتالیست مورد نظر Mn-Na2WO4/SiO2 انتخاب شد که در فصل پنجم در ابتدا نتایج حاصل از بررسی خاصیت اکسایشی- کاهشی این کاتالیست آورده شده است و سپس به بررسی عملکرد واکنش زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال روی کاتالیست مزبور پرداخته شده است. نقش پارامترهای مهم عملیاتی مثل دمای بستر کاتالیستی، سرعت ورودی گاز (دبی حجمی خوراک) و غلظت اکسیژن در خوراک ورودی در راکتور بستر سیال مورد بررسی قرار گرفت و با کارهای قبلی مقایسه شد.

در فصل ششم، نتایج حاصل جمع‌بندی می‌شود و در نهایت پیشنهادهایی برای ادامه تحقیقات ارائه می‌شود.

در پایان فهرست منابع مورد استفاده آورده شده است و بدنبال آن پیوست‌ها شامل مثال‌های روش‌های محاسباتی استفاده شده و جزئیات محاسبات مربوط به ساخت گاز نرمال و کالیبره کردن دستگاه کروماتوگراف گازی آورده شده است.

و...

NikoFile

دانلود پایان نامه نانو کاتالیست

اختصاصی از کوشا فایل دانلود پایان نامه نانو کاتالیست دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

پایان نامه نانوکاتالیست

لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*

فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)

تعداد صفحه:125

فهرست مطالب :

1-1-کاتالیست

1-2-انواع کاتالیزور

1-2-1-کاتالیست هموژن

1-2-2-کاتالیست های هتروژن یا ناهمگن

1-2-3-کاتالیست های زیستی یا آنزیمها

1-3-کاتالیست های هتروژن (ناهمگن)

1-3-1-کاتالیزورهای توده ای

1-3-2-کاتالیزورهای پایه ای

1-4-فعالیت و گزینش

1-5-مراحل فعل و انفعال کاتالیستی

1-6-کاتالیزور ایده آل

1-7-سرعت ویژه کاتالیست

1-8-گزینش پذیری

1-9-پایداری

1-10-خصوصیات فیزیکی کاتالیست

1-11-خصوصیات مکانیکی کاتالیست

1-12-تهیه کاتالیست

1-13-موارد مورد استفاده در ساخت کاتالیست

1-14-پایه کاتالیست

1-15-روشهای ساخت کاتالیزورها

1-15-1-روش رسوب گیری

1-15-2-روش Copercipitation

1-15-3-روش Raney

1-16-کاتالیزورهائی که غیر فعال می شوند

1-17-مکانیسم غیرفعال شدن کاتالیزور

1-17-1-واکنش های فساد

1-17-2-نفوذ حفره ای

1-17-3-انواع حمله سموم به سطح کاتالیزور

1-17-4-دیگر عوامل موثر در فساد

1-18-جذب سطحی

1-19-سینیک جذب سطحی

1-20-جذب سطحی بر روی یک سطح عریان

فصل دوم: نانوکاتالیست

مقدمه

2-1-کاتالیست ناهمگن

2-2-واکنشهای ناهمگن کجا اهمیت پیدا می کنند؟

2-3-بررسی فرآیند با Fincher-tropsch از نظر شیمیایی

2-4-کاتالیست سه گانه

2-5-فراوری نیمه هادیها و نانوتکنولوژی

2-6-دیگر زمینه های کاربرد دانش سطح

بخش اول:

2-7-ساختار سطح

2-8-ساختار ایده آل صاف

2-9-ترازهای سطح بالا و ترازهای مجاور آن

2-10-سطوح مقابل

2-11-سطوح جفت فلزی

2-12-مفهوم ناهمگنی سطح بخاطر مواد جذبی

2-13-بازسازی سطوح تمیز

2-14-جزیره ها

2-15-وضعیت الکترونی توده

2-16-فلزات نیم رساناها و نارساناها

بخش دوم

2-17-تحقیقات و بررسی های آزمایشی از سطح و ساختار ماده جذب شده

2-18-تکنیکها و روشهای تحقیقی با توجه به مرور اجمالی

2-19-اسکن گیری یا نمایش میکروسکوپی حاصل از کاوش و ایجاد سوراخ

2-20-نیروی اتمی میکروسکوپی

2-21-نمایش و اسکن میکروسکوپی حفاری یا سوراخ

2-22-مود یا روش تماس یا اتصال

2-23-روش نیروی اصطکاک

2-24-روش غیر تماسی

2-24-1-نمایش میکروسکوپی در نزدیکی سطح

2-24-2-پراکندگی الکترون یا انرژی پایین و کم

2-24-3-طیف سنجی الکترونیک

2-25-ادسرپشن لانگ مویریان

2-26-ادسرپشن لانگ مویریان (ادسرپشن مجزا)

2-27-ادسرپشن مویریان مجزا با برهم کنش های جانبی

2-28-ایزوترم های ادسرپشن: فرآیند جنبش شناسی

2-29-ایزوترم لانگ مویر

2-30-دسرپشن برنامه ریزی شده با دما

2-31-بررسی و تجزیه و تحلیل کیفی طیف دسرپشن مبنی بر دما

2-32-بررسی کیفی طیف دسرپشن مبنی بر دما

خلاصه ای از مطالب مهم

بخش سوم

2-33-واکنش های سطح پیچیده (کاتالیزکردن و کندن)

2-34-اندازه گیری و سنجش سینتیک سطح و مکانیزم های واکنش

2-35-فرآیند هابر-بوش

2-36-از سنتیک های میکروسکوپی تا کاتالیز کردن

فصل سوم: کاربرد نانوکاتالیست در صنعت

3-1-گوگرد زدایی از سوختهای فسیلی با نانوکاتالیست

3-2-نانوکاتالیست و اینده سوختهای فسیلی

3-3-پیشرفت های نانوکاتالیست دارای این قابلیت هاست

3-4-برخی از کاربردهای تجاری شده و یا در مرحله تجاری شدن فناوری نانو

3-5-تصفیه گازهای خروجی از اگزوز با کاتالیزورهای نانوساختاری

3-5-1-تصفیه پساب های صنعتی با استفاده از نانوفیلتراسیون

3-5-2-تصفیه آبهای آلوده با استفاده از نانو مواد

3-6-کاهش آلایندگی حاصل از سوخت های دیزلی با کمک کاتایست های اکسیدی لرزان

3-7-کاتالیست ها و پیل های سوختی زیستی

3-8-افزایش فعالیت نانوکاتالیست ها توسط آب

3-9-کاتالیست های زیست محیطی

3-10-کاربرد نانوکاتالیست ها در هیدروکراکینگ فرآیندهای پالایش نفت

3-10-1-مقدمه

3-10-2-هیدروکراکینگ

3-10-3-کاربردهای فناوری نانو در هیدروکراکینگ

3-11-کاربرد مواد نانو متخلخل در پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون فرآیندهای پالایش نفت

3-11-1-مقدمه

3-11-2-پلیمریزاسیون

3-11-3-ایزومریزاسیون

3-11-4-کاربردهای فناوری نانو در پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون

3-11-5-ایزومریزاسیون

3-12-طرح های کاتالیستی در حال بررسی

3-12-1-بررسی ساخت پوشش های کاتدی جهت آزادسازی گاز هیدروژن در فرآیند

3-12-2-بررسی ساخت کمپلکس متالوسنی بیس زیرکو تیم دی کلرید برای پلیمر

3-12-3-بررسی سنتز دی متیل اتراز گاز سنتز بر روی کاتالیست های دو عملگر

3-13-استفاده از تکنولوژی نانوکاتالیست برای تهدید کشورهای خاورمیانه

3-14-قابلیت های پیش بینی شده نانوکاتالیزورها

3-15-تحلیل

منابع و مأخذ

چکیده :

کاتالیست:

کاتالیست، کاتالیست ماده ای می باشد که فعل و انفعالات شیمیایی را سرعت می بخشد بدون اینکه خودش در فعل و انفعال معرف شود. کاتالیست مثبت در ساده ترین شکل آن را می توان بصورت زیر نشان داد:

(1-1)                    

C کاتالیست بوده و نهایتاً بدون تغییر باقی می ماند.

(1-2)                    

در واکنش شیمیایی  گرچه از کاتالیست اسمی برده نمی شود ولی این موضوع به معنای این نیست که کاتالیست نقشی در این واکنش ندارد. اکسیداسیون SO2 توسط کاتالیست V2O5 بصورت زیر انجام می شود.

(1-4)                    

مشاهده می شود که V2O5 در واکنش شرکت دارد ولی در نهایت مصرف نشده است. کاتالیست سرعت رسیدن به حالت تعادل را در یک واکنش سرعت می بخشد ولی قادر نیست شرایط تعادل را تغییر دهد. ضمناً با اضافه نمودن کاتالیست واکنش در دمای کمتری نسبت به واکنش بدون کاتالیست انجام می شود. کاتالیست منفی ماده ای است که سرعت پیشبرد یک واکنش را کاهش می دهد و مانند کاتالیس های مثبت مورد مطالعه قرار نگرفته اند ولی با وجود این در واکنش های کاتالیستی دارای اهمیت خاص می باشد. هر ساله صنایع شیمیایی و نفت با استفاده از فرایندهای کاتالیس میلیون ها تن دارند از جموله برای کودهای شیمیایی، لاستیک و غیره. جامع ترین تعریف برای کاتالیزور بصورت زیر می باشد: عمل کاتالیزور بیدار کردن میل ترکیبی خفته در واکنش دهنده ها می باشد.

1-2-انواع کاتالیزور:

کاتالیزورها را می توان به 3 دسته بزرگ تقسیم کرد:

1. کاتالیست های هموژن
2. کاتالیست های هتروژن
3. آنزیم ها (بیوکاتالیست ها)

1-2-1-کاتالیست هموژن: هنگامیکه کاتالیست ها با واکنش دهنده ها در یک فاز باشند هموژن نامیده می شوند.

این کاتالیست ها معمولاً بصورت مایع یا گاز می باشند بعنوان مثال در واکنش تهیه اتر از اتانول، اسید فسفریک یا اسید سولفوریک بکار گرفته می شود که با محیط واکنش دهنده ایجاد فاز نمی کند.

1-2-2-کاتالیست های هتروژن یا ناهمگن: هنگامیکه واکنش دهنده ها با کاتالیزور حداقل ایجاد دو فاز نمایند کاتالیزور را ناهمگن نامند. اکثر این کاتالیزور جامد بوده و واکنش روش فصل مشترک کاتالیزرورهای هموژن ارجحیت دارند زیرا در کاتالیزورهای هتروژن می توانند از سیستم Cointinus استفاده کرد. ولی برای جدا کردن کاتالیزورهای هموژن هزینة زیادی صرف می شود.

در کاتالیزورهای ناهمگن گزینش پذیری بیشتری وجود دارد و در جایی که بتوان از کاتالیزور هتروژن استفاده کرد از کاربرد کاتالیس هموژن اجتناب می شود.

1-2-3-کاتالیست های زیستی یا آنزیمها: آنزیمها پروتئین هایی با وزن 12000 تا 000/000/1 می باشند که عمل کاتالیتیکی روی آنها به غایت مخصوص می باشد و در مکانهای فعال یا Site انجام می گیرد. اینگونه کاتالیزورها در واکنش های مربوط به موجودات زنده و نیز در سنتز بسیاری از فرآورده های دارویی و غذایی شرکت دارند و دارای اهمیت قابل توجهی می باشند نخستین بار لویی پاستور در دهه 1850 با تحقیق دربارة تخمیر این کاتالیست ها نتایج جالبی بدست آورد. وی نشان داد که اورگانیسم ذره بینی مخمر باعث تبدیل گلوکز به اتانول می گردد او نتیجه گرفت که تخمیر از فرایندهایی است که درون سلولهای زنده انجام می گیرد. ادوارد بوخنر در سال 1897 گفت که عمل تخمیر در مادة موجود در عصارة مخمر حاصل می شود و این ماده را آنزیم نامید. هنگامی که مواد دیگر کشف شدند و توانستند در فرایندهای زیستی عمل کنند به آنها نام عمومی آنزیم اطلاق گردردی واژة آنزیم از واژه یونانی آنزیموس گرفته شده است که به معنی مادة حاوی خمیر مایع است (واژة ZYME به معنی خیمر مایع) واکنش کاتالیستی در قسمتی خاص از آنزیم انجام می شود که به آن مکان فعال یا سایت گفته می شود. یکی از محققین به نام فیشر نظریقة قفل و کلید را در رابطه با واکنش‌های آنزیمی پیشنهاد کرد.

1-3-کاتالیست های هتروژن (ناهمگن) (Heterogeneous):

همانطور که قبلاً گفته شده اگر کاتالیزورها و مواد واکنش دهنده حداقل در دو فاز قرار گرفته باشند کاتالیزور را هتروژن یا ناهمگن می نامند.

کاتالیزورهای صنعتی معمولاً جامد می باشند و قسمت عمدة واکنش های صنعتی روی اینگونه کاتالیزورها انجام می گیرد.

کاتالیست های هتروژن به دو دستة بزرگ تقسیم می شوند:

1. کاتالیزورهای توده ای (1)
2. کاتالیزورهای پایه ای (2)

1-3-1-کاتالیزورهای توده ای:

در صورتی که فاز فعال تشکیل دهندة کاتالیست تنها به صورت فلز یا پایة خالص باشد کاتالیزور را توده ای گویند مانند کاتالیزور نیکل.

1-3-2-کاتالیزورهای پایه ای:

در این حالت معمولاً سایتهای فعال که عمدتاً عناصر واسطه می باشند روی یک پایه (معمولاً سیلیس، اکسید تیتان، اکسید منیزیم، کربن فعال، غیره) قرار می گیرد و پایه نقش نگه دارندة عناصر را دارد. بیشتر کاتالیست های صنعتی از این نوع می باشند به عنوان مثال کاتالیست های .

بطور کلی کاربرد کاتالیست ها بدین صورت باعث افزایش سطح به میزان قابل توجهی می‌شود که به علت وجود Rugosity یا ناهمواری و همچنین خلال و فرج و منافذ یا Poreهای درون جامدات می‌باشد.

نقش Pore بسیار با اهمیت است و این نقش نه تنها به دلیل ایجاد سطح بیشتر جهت افزایش سرعت واکنش است بلکه به علت ایجاد انتقال مواد می باشد.

1-4-فعالیت و گزینش Activity And Selectivity:

فعالیت کاتالیستی عبارت از میزان سرعت بخش فعل و انفعال است بنابراین این یک واکنش ممکن است با یک کاتالیست سرعت بیشتری داشته باشد تا با کاتالیست دیگر، یا ممکن است یک مادة دو گونه فرایند با دو نوع کاتالیست نشان دهد . Catalyist Selectivity

عبارت است از قدرت کاتالیست در مورد یک فرایند بخصوص در صورتی که امکان ایجاد فرایندهای دیگر نیز موجود باشد.

هر چه نوع کاتالیست مورد استفاده واکنشی را بیشتر در جهت تولید محصولات دلخواه سوق دهد به اصطلاح آن کاتالیست سلکتیوتر خواهد بود.

گزینش معمولاً با فشار، دما و ترکیبات شرکت کننده در فعل و انفعال و همچنین طبیعت کاتالیست بستگی دارد به طور مثال عمل کاتالیست را در تجزیة کاتالیستی اتانول آورده می شود. این واکنش بر روی مس به صورت زیر تولید فرمالدئید و بر روی آلومین تولید اتیلن و اتر می نماید.

این مسئله را می توان چنین توجیه کرد که در مورد اول مس جاذب هیدروژن و در مورد دوم و سوم آلومین جاذب آب می باشد. یک کاتالیست ممکن است یا از لحاظ گزینش یا فعالیت و یا هر دو مناسب باشد فاکتور Selectivity از اهمیت بیشتری برخوردار است.

معمولاً افزایش دما عمر کاتالیست را کاهش می دهد ولی با وجود این فعالیت را افزایش می دهد در صورتی که واکنش گرمازا باشد افزایش دما درصد تبدیل را کاهش می دهد گزینش معمولاً تابعی از درجه تبدیل و شرایط فعل و انفعال است. در رابطه با گزینش پارامترهای دیگری از جمله تبدیل و بهره نیز عنوان می شود.

مقدارR تشکیل دهنده

مقدار R اولیه

 

             (1-8)                 = گزینش

مقدار P تشکیل دهنده

مقدار R اولیه

 

مقدار P تشکیل دهنده

مقدار R ترکیب شده

 

(1-9)                 =   تبدیل

(1-10)               =     بهره

1-5-مراحل فعل و انفعال کاتالیستی:

در یک فعل و انفعال سرعت واکنش برحسب تغییر در مولهای یک ترکیب در واحد زمان برای واحد حجم مخلوط تعریف می شود. معمولاً مناسب خواهد بود که در رابطه سرعت جرم را به جای حجم مبنا قرار دهیم. بنابراین سرعت واکنش را می توان بصورت رابطة ریاضی چنین نوشت:

(1-11)                   

که V: حجم مخلوط ترکیب شونده ها، N: تعداد مولهای یکی از ترکیب شونده ها، F: تعداد مولهای شرکت کننده در واکنش در آغاز، W: وزن کاتالیست، X: تبدیل، t: زمان.

بین سرعت واکنش و غلظت ترکیب شونده ها رابطة سادة زیر وجود دارد:

(1-12)                   

که Ca و Cb به ترتیب غلظت ترکیب شونده های B, A و اعداد ثابت و K سرعت است طبق معادله آرینوس با دما تغییر می کند. بعنوان مثال دو واکنش فرضی شیمیایی یکی هموژن و بدون کاتالیست و دیگری همراه با کاتالیست را در نظر می‌گیریم معمولاً سرعت واکنش کاتالیستی از سرعت واکنش هموژن بدون کاتالیست بیشتر است.

1-6-کاتالیزور ایده آل:

کاتالیزوری ایده آل است که دارای مشخصات زیر باشد:

1-فعالیت بالا، 2-گزینش پذیری بالا، 3-پایداری بالا، 4-هزینه های تولید پایین.

1-Activity یا فعالیت به طرق مختلف بیان می شود که در هر صورت با سرعت واکنش ارتباط دارد.

(1-13)               

ساده ترین روش برای بررسی فعالیت محاسبه درصد تبدیل یا Conversion می باشد درصد تبدیل عبارت است از جمع جبریکل مواد تولید شده یا (مقدار اولیة باقیمانده ماده-100)

1-7-سرعت ویژه کاتالیست: Specific Rate

عبارت است از تعداد مولهای ماده تبدیل شده بوسیله یک گرم فاز فعال (معمولاً فلز)

(1-14)                = سرعت ویژه

(1-15)                    Q= Flow Rate

Q: عبارت است از حجم در حالت مایع خوراک در واحد زمان که وارد راکتور می شود.

P: دانسیتة خوراک، M: جرم مولی خوراک و در صورتیکه چند جسم باشد جرم مولی متوسط.

Conversion: تعداد مولهای تبدیل شده

تعداد مولها در ساعت که وارد راکتور می شوند.

%Metal: به ازاء یک گرم فلز

MCetal: جرم کاتالیست، محاسبة فعالیت بر حسب واحد Site که به آن TNH-1=Turn Over Numb یا شماره چرخش گفته می شود.

D:Dispersion

= تعداد مولهای فلز بکار گرفته شده.

1-8-گزینش پذیری:

پارامتر بسیار مهمی در مشخص کردن یک کاتالیزور ایده آل است. هنگامیکه یک واکنش انجام می‌شود. مادة بخصوصی برای تولید مورد نظر می باشد و معمولاً گزینش پذیری نسبت به ماده مورد نظر محاسبه می گردد ولی همزمان مواد دیگری نیز بطور ناخواسته تولید می شود. پس کاتالیزوری مناسب است که بتواند واکنش را در جهت مورد نیاز به سرعت بیشتر پیش ببرد چنین کاتالیزوری را در اصطلاح Selevtivity می گویند.

درصد ماده تولید شده

Conversion

 

(1-17)               

SelctivityB= *100=

هنگامی که گزینش پذیری صد در صد باشد Selectivity همان درصد محصول است. در پاره ای موارد گزینش پذیری نسبت به تمام محصولات محاسبه می شود به عنوان مثال در واکنش فوق:

Selectivity از نظر صنعتی بسیار با اهمیت است. در صورتی که کاتالیزوری با فعالیت کم ولی گزینش پذیری بالایی داشته باشد در بسیاری از موارد از کاتالیزور گزینش پذیرتر استفاده می شود، زیرا کاتالیزوری که محصول مورد نظر را با درصد بالایی تولید کند باعث می شود که عملیات بعدی روی جداسازی کمتر باشد.

1-9-پایداری:

یکی از پارامترهای مهم برای ارزیابی کاتالیزورها می باشد یک کاتالیزور پایدار (Stable) باید دارای خصوصیات های زیر باشد:

1-از نظر مکانیکی مقاوم باشد تا در راکتور فرسوده نشود و بتواند مدت زمان طولانی دوام داشته باشد در غیر اینصورت در اثر حرارت و جریان سایش پیدا کرده و به تدریج پودر شده و با جریان خوراک از راکتور خارج می گردد و مشکلاتی از قبیل: افت فشار در راکتور، بسته شدن شیرها و .. پدید می آورد مقاومت مکانیکی هنگامی مفهوم خود را داراست که کاتالیزور با دانه بندی خاص مشخص شود. طبیعتاً در کاتالیزورهای پودری که در راکتورهای همزمان دار استفاده می شود.

1-مقاومت مکانیکی بی معنی است.

2-مقاومت در مقابل حرارت یا شوک حرارتی

3-مقاومت در مقابل سموم

یکی از مهمترین فاکتورها برای ارزیابی یک کاتالیزور تغییرات فعالیت آن نسبت به زمان می باشد اکثر کاتالیزورها در شروع واکنش دارای فعالیت نسبتاً بالایی هستند ولی بتدریج فعالیت خود را از دست می دهند.

هر چه شیب کاهش فعالیت کمتر باشد کاتالیزور مناسب تر است. دو دلیل اساسی دما پایین آمدن فعالیت کاتالیزور با گذشت زمان است.

1-سمومی که همراه خوراک وارد راکتور می شود.

2-سمومی که در راکتور تولید می شود.

1-10-خصوصیات فیزیکی کاتالیست:

افزایش سطح یک جامد اثر چشمگیری بر مقدار جذب گازهای مختلف بر روی آن داشته و فعالیت آن را بعنوان کاتالیست می افزاید برای استفاده های کاتالیستی خواه بطور مستقیم یا بعنوان پایه کاتالیست موادی با سطح حتی بیش از 100 متر مربع ساخته شده است. خصوصیات دیگر کاتالیست (علاوه بر کمیت سطح) نیز می تواند نقش مهمی در تعیین فعالیت کاتالیست ایفا نماید.

بعنوان مثال در شرایط خاصی با اینکه سطح یک کاتالیست خیلی بالا است ولی به علت کوچک بودن منافذ مولکولهای مواد شرکت کننده در واکنش نمی توانند به سرعت در منافذ نفوذ نمایند و از مقاوم سطح موجود استفاده نمایند و در شرایط دیگری ممکن است نحوة توزیع منافذ اهمیت پیدا کند حال به پارامترهایی که علاوه بر سطح در بالا بردن و یا پایین آوردن فعالیت کاتالیست می توانند موثر باشند می پردازیم.

1-دانسیته: برای یک جامد دارای منفذ دانسیته های مختلفی تعریف می شود.

الف) دانسیته توده ای و bulk density: عبارت است از وزن تقسیم بر حجم بستری که آن مقدار کاتالیست در آن جای داده شده است.

ب)دانسیتة ظاهری: عبارت است از وزن واحد حجم کاتالیست. برای کاتالیست های با شکل هندسی یکدست و یکنواخت، وزن نمونه ای از آن برای محاسبة دانسیته کفایت می کند برای محاسبة دانسیته ظاهری روشهای گوناگون وجود دارد ولی قابل اطمینان‌ترین روش، روش افت فشار است که در توده ای از کاتالیست در یک بستر به ارتفاع L می‌تواند بوجود آید.

ج)دانسیتة حقیقی: عبارت است از وزن واحد حجم جزء کاتالیست

2-اندازة منافذ: با وجود اینکه سطح زیاد کاتالیست می تواند نشان دهندة فعالیت بالای آن باشد ولی نباید مقایسة کاتالیست ها فقط بر مبنای کم و زیاد بودن سطح انجام شود زیرا سطوح منافذ کاتالیست ممکن است کلاً در دسترس مواد شرکت کننده در واکنش نباشند از جمله دلایلی که برای این موضوع وجود دارد این است که اندازة منافذ داخل کاتالیست به قدری کوچک باشد که مواد شرکت کننده در واکنش نتوانند براحتی در آن وارد شوند بنابراین لازم است که متوسط شعاع منافذ- چگونگی توزیع منافذ و چگونگی ارتباط این منافذ نیز مشخص باشد.

1-11-خصوصیات مکانیکی کاتالیست:

1-آزمایش مقاومت در مقابل فشار:

یکی از روشهای معمول این است که به آهستگی بر روی توده ای از کاتالیست که در سیلندر قرار دارد بوسیلة یک پیستون فشار وارد آوریم و جابجایی کاتالیست را بر حسب فشار وارد آمده اندازه گیری می نمائیم.

دانه های کاتالیست را می توان بطور مجزا نیز تحت فشار قرار داد در اندازه گیری مقاومت کاتالیست ها مقاومت شعاعی از مقاومت محوری دارای اهمیت بیشتری است.

2-مقاومت در برابر سایش:

مقاومت در مقابل سائیدگی برای کاتالیست های با بستر ثابت به این دلیل اهمیت دارد که سایش را در موقع پر کردن راکتور به حد مینیمم برسانند یکی از روشها این است که تعداد از دانه های کاتالیست را در سیلندرهایی که در آن دانه های سرامیکی قرار داده شده‌اند ریخته و در مدت زمان معینی بر روی دستگاههای مخصوص بچرخانیم و میزان سایش را با وزن مقدار کاتالیست پودر شده مشخص نموده و درصد آن را تعیین نمائیم.

3-آنالیز دانه ای کاتالیست ها:

برای اندازه گیری توزیع پراکندگی ذرات با اندازه های مختلف کاتالیست از الک هائی با اندازة سوراخهای مختلف و استاندارد استفاده می شود. برای این کار یک سری الک که به ترتیب از بالا به پایین اندازة منافذ صفحة الک کوچکتر می شود را بر روی دستگاهی که مرتب و بطور یکنواخت الک‌ها را تکان می دهد و بدین ترتیب وزن مشخصی از کاتالیت که بر روی اولین الک قرار دارد بسته به اندازة ذرات آن از الکهای متوالی رد می‌شود و بر روی هر الک مقداری از آن باقیمانده و بقیه رد شده و به الک بعدی وارد می‌شود و بدین ترتیب درصد اندازه ذرات و توزیع آن معلوم می شود.

1-12-تهیه کاتالیست:

علم تهیه کاتالیست از جمله عواملی است که اطلاعات مربوط به ساخت آن کمتر گزارش شده است و گرچه اغلب کتب و مجلات علمی از مقالات و داده های مربوط به آن انباشته است ولی به علت سوددهی فراوان این ماده سازندگان سعی دارند که جزئیات روشهای تهیه را منتشر نکنند و در مقابلات فقط به کلی گویی اکتفا شده و اطلاعات اساسی حفظ می شود.

برای تولید و ساخت کاتالیست فقط داشتن ترکیبات شیمیایی آن کافی نیست بلکه در اغلب موارد خصوصیات فیزیکی کاتالیست از قبیل: ساخت سطح ویژه، اندازة ذرات، اندازة منافذ، چگونگی توزیع منافذ و ساختمان کریستالی نقش اساسی در میزان فعالیت و گزینش آن برای استفادة یک فعل و انفعال شیمیایی خاص بازی می نماید.

1-13-موارد مورد استفاده در ساخت کاتالیست:

کاتالیست های تجاری ندرتاً از یک ترکیب درست شده اند در هر کاتالیست مورد استفاده در صنایع علاوه بر عوامل فعال ترکیبات دیگری از جمله محمل ها یا پایه ها، پرموترها (Promoters) و عوامل گیرنده (Binders) مورد استفاده قرار می گیرد.

1-14-پایه کاتالیست:

به مواردی اطلاق می شود که قسمت بدنة کاتالیست را تشکیل می دهند و ترکیبات آن فعال کننده بر روی آنها قرار می گیرند. در اغلب موارد پایه کاتالیست اصلاً فعالیت کاتالیستی ندارند پایه کاتالیست به علل زیر استفاده می شود.

و...

NikoFile