Come prevenire la disattivazione del catalizzatore?

Introduzione

I catalizzatori sono essenziali in molti processi industriali, poiché consentono alle reazioni chimiche di avvenire in modo più efficiente e a temperature o pressioni inferiori. Tuttavia, con il tempo i catalizzatori possono disattivarsi, con conseguente riduzione dell'efficienza e aumento dei costi. In questo articolo discuteremo di come prevenire la disattivazione dei catalizzatori. Ci auguriamo che possiate comprendere meglio la manutenzione dei diversi catalizzatori.

Come prevenire la disattivazione del catalizzatore?

Per prevenire la disattivazione del catalizzatore durante l'uso, possiamo trovare soluzioni efficaci identificando le cause della disattivazione del catalizzatore.

--Avvelenamento

La causa principale della disattivazione del catalizzatore è l'avvelenamento. Si riferisce alla disattivazione chimica reversibile o irreversibile di un catalizzatore e porta alla perdita di attività catalitica, stabilità e selettività, causando gravi problemi e perdite economiche nei processi catalitici industriali. La Figura 1 mostra l'avvelenamento da zolfo e H2S dei catalizzatori di nichel con e senza aggiunta di ossigeno.

Per prevenire l'avvelenamento del catalizzatore si può scegliere il pretrattamento o la rimozione.

• Se è reversibile, il catalizzatore può essere riutilizzato.
• In caso contrario, il catalizzatore deve essere gettato, con un notevole spreco di energia e di costi. Tuttavia, è possibile applicare alcuni pretrattamenti ai catalizzatori. Ad esempio, l'utilizzo di ZnO e di altre protezioni potrebbe mitigare efficacemente l'avvelenamento da zolfo.
• Rimuovere i catalizzatori disattivati se la rimozione totale dei veleni è piuttosto difficile.

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Figura 1. Avvelenamento da zolfo

--Sinterizzazione

La sinterizzazione è un'altra causa comune di disattivazione dei catalizzatori. Si tratta di una degenerazione termica che comporta una riduzione della superficie catalitica e dell'area di supporto. Il peggio è che le fasi catalitiche si trasformano in fasi non catalitiche, ostacolando così le reazioni chimiche previste.

Si consiglia di prestare attenzione ai materiali e agli ambienti per evitare la sinterizzazione.

• I metalli alcalini accelerano la sinterizzazione, mentre gli ossidi di Ba, Ca o Sr la diminuiscono. Le sostanze porose presentano in genere tassi di sinterizzazione inferiori.
• Il vapore e il cloro accelerano la sinterizzazione. Inoltre, le atmosfere umide, il surriscaldamento e le perdite di superficie accelerano i cambiamenti strutturali nei supporti di ossido.

--Coking

Il coking è responsabile di circa il 20% della disattivazione dei catalizzatori ed è solitamente correlato all'intasamento. In altre parole, i materiali carboniosi e di altro tipo presenti nei pori del catalizzatore si depositano, riducendo le dimensioni dei pori e impedendo alle molecole di reagente di diffondersi nel poro.

Di solito, questi depositi carboniosi possono essere rimossi mediante gassificazione con vapore acqueo o idrogeno, ottenendo rispettivamente CH4, CO e COx. La disattivazione del coking è quindi un processo reversibile. La Figura 2 illustra schematicamente la deposizione di coke su catalizzatori HZSM-5 non modificati e modificati con metalli.

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Figura 2. Deposizione di coke

--Altri

Esistono molti altri approcci utili per prevenire la disattivazione del catalizzatore.

• Scegliere il catalizzatore giusto

La scelta del catalizzatore giusto per l'applicazione specifica è fondamentale per prevenire la disattivazione. I diversi catalizzatori hanno diversi gradi di stabilità e resistenza alla disattivazione. Pertanto, è importante scegliere un catalizzatore adatto alle specifiche condizioni di processo. Anche il design del catalizzatore è importante. È possibile modificare l'area superficiale, la dimensione dei pori e la dimensione dei pellet per evitare l'avvelenamento del catalizzatore.

• Mantenere pulito il catalizzatore

Una delle ragioni principali della disattivazione del catalizzatore è l'accumulo di contaminanti sulla sua superficie. Queste impurità possono provenire dalla materia prima o dall'ambiente circostante. Per evitare che ciò accada, è essenziale spurgare periodicamente il sistema o filtrare la materia prima.

• Evitare le alte temperature

I catalizzatori possono essere sensibili alle alte temperature, che possono portare alla loro disattivazione. È fondamentale evitare di esporre il catalizzatore a temperature superiori al suo intervallo di sicurezza. È meglio monitorare la temperatura del sistema e regolare il processo di conseguenza.

• Monitorare l'attività del catalizzatore

Il monitoraggio dell'attività del catalizzatore può aiutare a rilevare eventuali cambiamenti nelle sue prestazioni. Ciò può essere ottenuto misurando regolarmente la velocità di reazione o effettuando test periodici del catalizzatore. Monitorando l'attività del catalizzatore, è possibile identificare tempestivamente eventuali problemi e adottare misure correttive per prevenire la disattivazione.

Conclusione

In poche parole, seguite i passi sopra descritti per combattere l'avvelenamento, la sinterizzazione e il coking, che sono le principali cause di disattivazione del catalizzatore. Inoltre, è bene prestare attenzione alle condizioni operative e alla corretta selezione, utilizzo e manutenzione del catalizzatore. In questo modo, la durata dei catalizzatori può essere prolungata, con conseguente miglioramento dell'efficienza e riduzione dei costi nei processi industriali.

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Riferimenti:

[1] Philipp Wachter, Christian Gaber, Juraj Raic, Martin Demuth, Christoph Hochenauer, (2021). Indagine sperimentale sull'avvelenamento da zolfo dell'H2S e dell'SO2 e sulla rigenerazione di un catalizzatore al Ni disponibile in commercio durante la tri-riforma del metano [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). Upgrade catalitico di vapori di pirolisi derivati da biomasse su HZSM-5 modificato con metalli in 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