Procese catalitice aplicate în industria organică de mare tonaj

Cataliza eterogenă este pentru industrie o modalitate de a diminua consumurile de materii prime şi energie şi de diminuare a impactului asupra mediului a acestor procese, prin minimizarea coproduşilor nedoriţi şi prin tratarea celor rezultaţi pentru a-i face neagresivi pentru mediu.

În continuare, vor fi prezentate succint o serie de procese catalitice care decurg pe centre active de tip acido-bazic.

Reacţiile de interconversie a aromatelor sunt utilizate la nivel industrial pentru a aduce la aceleaşi valori nivelul cererii şi ofertei de diferite aromate. Distribuţia aromatelor separate din ţiţei indică proporţii mai mari de toluen, meta-xilen şi orto-xilen decât necesarul. Dimpotrivă, para-xilenul este deficitar şi din acest motiv, este necesară conversia toluenului la xilen prin disproporţionare (a) şi izomerizarea xilenilor (b) pentru a acoperi necesarul. Când sunt disponibile cantităţi semnificative de trimetilbenzeni (TMB), obţinerea xilenului se poate realiza prin transalchilarea toluenului cu trimetilebenzenul (c).

Reacţiile au loc pe centre acide şi decurg prin mecanism de substituţie electrofilă. Deşi necesită centre de tării diferite, aceste reacţii pot avea loc simultan. Alături de reacţia de transalchilare, trimetilbenzenul suferă şi reacţiile de disproporţionare la tetrametilbenzeni şi xilen (d) sau aizomerizarea (e). Reactivitatea celor trei izomeri ai trimetilbenzenului este diferită, fiind legată de stabilitatea lor termodinamică.

De exemplu, disproporţionarea toluenului are loc fie prin intermediul formării carbocationului metil în urma interacţiunii toluenului cu suprafaţa acidă a zeolitului (a), fie printr-un intermediar de tip difenilmetan (b). a

În calitate de catalizatori se pot utiliza zeoliţi de tip ZSM-5, faujasit, MCM-22 sau mordenit, modificaţi prin schimb ionic şi/sau impregnare cu diferite elemente dintre care se pot enumera: metale alcalino-pământoase, metale tranziţionale, elemente rare (lantanide şi actinide, dintre care cel mai frecvent sunt citate ceriul, neodimul, praseodimul), fosfor, plumb etc., zeoliţi din tipurile enumerate substituiţi izomorf cu galiu, fer, bor, zinc etc. precum şi site moleculare nezeolitice de tip aluminofosfaţi substituiţi cu metale şi/sau siliciu. În tabelul 10.1 sunt prezentate conversiile şi selectivităţile la transformarea unui amestec echimolar de toluen şi trimetilbenzeni pe zeolit EMT cu aluminiu, şi aluminiu + galiu (25% şi 50% faţă de aluminiu).

Tabel 10.1.

Rezultatele testelor catalitice efectuate în reactor în puls cromatografic, la 400oC

Reacţie Catalizator Conversia totală, % Conversia TMB în reacţiile de:

Transalchilare Disproporţionare Izomerizare

T + 1,2,4-TMB HAlEMT 68,97 29,53 21,89 17,55

HGaAlEMT25 63,10 24,83 20,51 17,76

HGaAlEMT50 59,38 19,09 21,31 18,98

T + 1,3,5-TMB HAlEMT 84,54 21,55 23,35 39,64

HGaAlEMT25 77,75 20,37 18,63 38,74

HGaAlEMT50 69,62 18,04 15,28 36,29

T + 1,2,3-TMB HAlEMT 91,46 30,40 15,46 45,6

HGaAlEMT25 72,01 14,94 15,36 41,69

HGaAlEMT50 77,80 14,05 14,84 48,90

Substituţia izomorfă a unei părţi din aluminiu cu galiu este defavorabilă reacţiei de alchilare, întrucât tăria centrelor acide scade.