Wie kann man die Deaktivierung von Katalysatoren verhindern?
Einführung
Katalysatoren sind in vielen industriellen Prozessen unverzichtbar, da sie es ermöglichen, dass chemische Reaktionen effizienter und bei niedrigeren Temperaturen oder Drücken ablaufen. Dennoch können Katalysatoren im Laufe der Zeit deaktiviert werden, was zu einer geringeren Effizienz und höheren Kosten führen kann. In diesem Artikel wird erörtert, wie man die Deaktivierung von Katalysatoren verhindern kann. Wir hoffen, dass Sie ein besseres Verständnis für die Wartung der verschiedenen Katalysatoren entwickeln können.
Wie verhindert man die Deaktivierung von Katalysatoren?
--Vergiftung
Die Hauptursache der Katalysatordeaktivierung ist die Vergiftung. Sie bezieht sich auf die reversible oder irreversible chemische Deaktivierung eines Katalysators und führt zu einem Verlust an katalytischer Aktivität, Stabilität und Selektivität, was zu schwerwiegenden Problemen und wirtschaftlichen Verlusten bei industriellen katalytischen Verfahren führt. Abbildung 1 zeigt die Schwefelvergiftung von Nickelkatalysatoren durch H2S mit und ohne Sauerstoffzusatz.
Um eine Vergiftung des Katalysators zu verhindern, kann man ihn vorbehandeln oder entfernen.
- Wenn die Vergiftung reversibel ist, kann der Katalysator wiederverwendet werden.
- Ist dies nicht der Fall, muss der Katalysator entsorgt werden, was mit einem hohen Energie- und Kostenaufwand verbunden ist. Man kann die Katalysatoren jedoch auch vorbehandeln. Die Verwendung von ZnO und anderen Schutzmitteln könnte beispielsweise die Schwefelvergiftung wirksam abmildern.
- Entfernen Sie die deaktivierten Katalysatoren, wenn die vollständige Entfernung der Gifte sehr schwierig ist.
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Abbildung 1. Schwefelvergiftung
-Sintern
Sinterung ist eine weitere häufige Ursache für die Deaktivierung von Katalysatoren. Dabei handelt es sich um eine thermische Degeneration, die mit einer verringerten katalytischen Oberfläche und Trägerfläche einhergeht. Schlimmer noch, die katalytischen Phasen gehen in nichtkatalytische Phasen über und behindern so die beabsichtigten chemischen Reaktionen.
Bitte achten Sie auf die Materialien und die Umgebung, um ein Sintern zu verhindern.
- Alkalimetalle beschleunigen die Sinterung, während Oxide von Ba, Ca oder Sr die Sintergeschwindigkeit verringern. Poröse Stoffe weisen in der Regel eine geringere Sintergeschwindigkeit auf.
- Dampf und Chlor beschleunigen die Sinterung. Darüber hinaus beschleunigen feuchte Atmosphären, Überhitzung und Oberflächenverluste die strukturellen Veränderungen in Oxidträgern.
-Verkokung
Verkokung ist für etwa 20 % der Katalysatordeaktivierung verantwortlich und hängt in der Regel mit Verstopfung zusammen. Dabei lagern sich kohlenstoffhaltige und andere Materialien in den Katalysatorporen ab, wodurch die Porengröße verringert wird und die Reaktionsmoleküle nicht mehr in die Poren diffundieren können.
Normalerweise können diese Kohlenstoffablagerungen durch Vergasung mit Wasserdampf oder Wasserstoff entfernt werden, wobei CH4, CO bzw. COx entstehen. Die Deaktivierung der Verkokung ist also ein reversibler Prozess. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Koksablagerung auf unmodifizierten und metallmodifizierten HZSM-5-Katalysatoren.
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Abbildung 2. Koksablagerung
-Andere
Es gibt viele weitere nützliche Ansätze zur Verhinderung der Katalysatordeaktivierung.
- Auswahl des richtigen Katalysators
Die Wahl des richtigen Katalysators für die jeweilige Anwendung ist entscheidend für die Vermeidung einer Deaktivierung. Verschiedene Katalysatoren sind unterschiedlich stabil und widerstandsfähig gegen Deaktivierung. Daher ist es wichtig, einen Katalysator zu wählen, der für die spezifischen Prozessbedingungen geeignet ist. Auch das Design des Katalysators spielt eine Rolle. Sie können die Oberfläche, die Porengröße und die Pelletgröße verändern, um eine Vergiftung des Katalysators zu verhindern.
- Halten Sie den Katalysator sauber
Einer der Hauptgründe für die Deaktivierung des Katalysators ist die Ansammlung von Verunreinigungen auf seiner Oberfläche. Diese Verunreinigungen können aus dem Ausgangsmaterial oder aus der Umgebung stammen. Um dies zu verhindern, ist es wichtig, das System regelmäßig zu spülen oder das Ausgangsmaterial zu filtern.
- Vermeiden Sie hohe Temperaturen
Katalysatoren können empfindlich auf hohe Temperaturen reagieren, was zu ihrer Deaktivierung führen kann. Es ist unbedingt zu vermeiden, dass der Katalysator Temperaturen ausgesetzt wird, die außerhalb seines sicheren Betriebsbereichs liegen. Am besten überwachen Sie die Temperatur des Systems und passen den Prozess entsprechend an.
- Katalysatoraktivität überwachen
Die Überwachung der Aktivität des Katalysators kann dazu beitragen, etwaige Veränderungen seiner Leistung zu erkennen. Dies kann durch regelmäßige Messungen der Reaktionsgeschwindigkeit oder durch regelmäßige Katalysatortests erreicht werden. Durch die Überwachung der Aktivität des Katalysators können Probleme frühzeitig erkannt und Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um eine Deaktivierung zu verhindern.
Schlussfolgerung
Kurz gesagt: Befolgen Sie die oben genannten Schritte, um Vergiftung, Versinterung und Verkokung zu vermeiden, die die Hauptursachen für die Deaktivierung von Katalysatoren sind. Außerdem sollten Sie auf die Betriebsbedingungen und die richtige Auswahl, Verwendung und Wartung des Katalysators achten. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer von Katalysatoren verlängern, was zu einer verbesserten Effizienz und geringeren Kosten in industriellen Prozessen führt.
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Referenz:
[1] Philipp Wachter, Christian Gaber, Juraj Raic, Martin Demuth, Christoph Hochenauer, (2021). Experimentelle Untersuchung der H2S- und SO2-Schwefelvergiftung und Regeneration eines handelsüblichen Ni-Katalysators bei der Methan-Trireformierung [Photograph]. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319920340921
[2] Balasundram, Vekes & Ibrahim, Norazana & Kasmani, Rafiziana & Isha, Ruzinah & Abd Hamid, Mohd Kamaruddin & Hasbullah, Hasrinah. (2022). Katalytische Veredelung von aus Biomasse gewonnenem Pyrolyse-Dampf über metallmodifiziertem HZSM-5 zu BTX: A comprehensive review [Photograph]. https://www.researchgate.net/publication/343461067_Catalytic_upgrading_of_biomass-derived_pyrolysis_vapour_over_metal-modified_HZSM-5_into_BTX_a_comprehensive_review
