مهندسی شیمی کاتالیست
كاتاليزور ماده اي است كه سرعت واكنش شيميايي را زياد مي كند، بدون اينكه خود در جريان واكنش مصرف شود. در واقع كاتاليزور در يك مرحله عملاً مصرف مي شود و در مرحله بعدي بار ديگر توليد مي گردد و اين عمل بارها تكرار مي گردد، بدون آنكه كاتاليزور دچار تغيير دائمي شود و كاتاليزور واكنش را مي توان بدون تغيير در پايان واكنش بازيابي كرد. كاتاليزورها سرعت يك واكنش شيميايي را كه از لحاظ ترموديناميكي قابل انجام است، تغيير مي دهند .بنابراين نمي توانند واكنش هايي را كه از نظر ترموديناميكی امكان پذير نيستند، به انجام برسانند. اساساً كاتاليزور به عنوان يك تركيب شيميايي در نظر گرفته مي شود كه قادر به اعمال اثر تسريع كنندگي در سرعت واكنش و اثر جهت دهندگي بر پيشرفت واكنشي می باشد كه از نظر ترموديناميكي امكان پذير است، علاوه بر اين بايد در پايان واكنش كه تعادل ترموديناميكي آن را دگرگون نكرده است باقي بماند. كاتاليزور، ماده ی پيچيده اي است كه مهندس مسئول ساخت كاتاليزور با ديدگاه متفاوتي به كاتاليزور مي نگرد، كه يكي از ديدگاهها، ديدگاه تخصصي مصرف كننده مي باشد.
بطور مثال مولکول های نیتروژن و هیدروژن به صورت همگن و بدون يك كاتاليست با سرعتي بي نهايت كم واكنش مي دهند. شكستن پيوندهاي آنها براي تشكيل گونه هاي واكنش دهنده به مقدار زيادي انرژي نياز دارد. مقدار انرژي فعال سازي اين واكنش حدود است. احتمال قرار گرفتن اين اجزاء در كنار هم بسيار كم است. تشكيل خود به خود آمونياك در شرايط ملايم بسيار ناچيز است، ولي كاتاليست از طريق جذب شيميايي و تركيب مجدد با يك رشته از بر هم كنش هاي سطحي ، به تفكيك كمك مي كند. در اين صورت مشكل ترين مرحله ي انجام واكنش، كه جذب نيتروژن است، تنها به انرژي فعال سازي نياز خواهد داشت. سرعت اين واكنش در دماي به صورت چشمگيري با ضريب افزايش مي يابد. بايد دقت كرد كه آنتالپي هاي ابتدايي و انتهايي تغيير نمي كنند لذا ميزان تبديل تعادلي يكسان خواهد بود.
چهار مفهوم عمده براي درك پايه اي وظايف كاتاليست لازم هستند:
1. تعادل و همه ي خواص ترموديناميكي بدون تغيير خواهند ماند.
2. چون ثابت تعادل بدون تغيير خواهد ماند، لذا در واكنش هاي تعادلي ميزان سرعت واكنش برگشت نيز به همان اندازه ي واكنش رفت، افزايش خواهد يافت.
3. ممكن است بيش از يك واكنش دست اندر كار باشند و محصول هاي مختلفي توليد شوند. يك كاتاليست اساساً تنها يكي از آنها را ارتقا خواهد داد كه اين مطلب به بهبود گزينش پذيري خواهد انجاميد.
4. گر چه بطور ايده آل كاتاليست در طول واكنش بدون تغيير مي ماند اما در عمل اين مطلب درست نيست چون كاتاليست خود يك ماده ي واكنش دهنده است كه در طول واكنش دستخوش تغييرات فيزيكي و شيميايي برگشت ناپذيري مي شود كه توانايي عملكرد آن را كاهش مي دهد. با گذشت زمان و ميلياردها بار انجام يك واكنش توسط كاتاليست، اين مطلب مهم تر مي شود.
یک واکنش کاتالیزوری را از چند جنبه می توان تحلیل کرد:
· تعريف خوراك يا به طور دقيق تر، گستره خوراك هاي صنعتي از طريق تعيين غلطت و نوع واكنشگر ها، حضور احتمالي مواد بي اثر و سموم
· شرح مكانيسم واكنشي بر اساس داده هاي علمي يا تجربي موجود. اين مكانيسم بايد شامل واكنش هاي اصلي و نيزواكنش هاي جانبي نامطلوب باشد، همچنين اثر سموم احتمالي در آن مندرج شود.
· طبقه بندي اطلاعات ترموديناميكي در مورد مكانيسم فرض شده براي واكنش .
· برآورد اقتصادي اوليه تبديل: هزينه خوراك، قيمت محصولات، اختلاف بين اين قيمتها، يعني ارزش افزوده ي خوراك ، تعيين كننده ي سطح فعاليت، به خصوص گزينش پذيري لازم براي كاتاليزور است تا اقتصادي بودن تبديل تامين شود.