Infrastruktura
Infrastruktura CATPRO rozvíjí a podporuje technologie ve čtyřech hlavních oblastech:
- SYNTÉZA KATALYZÁTORŮ zaměřena na zvyšování měřítka z laboratorních podmínek (až na kilogramová množství katalyzátorů), včetně optimalizace surovin, postupů a technologických parametrů.
- FORMOVÁNÍ KATALYZÁTORŮ je směrováno na vhodné techniky formování katalyzátorů a optimalizaci pojiv k získávání katalyzátorů, vhodných pro průmyslové využití. Klíčovým krokem pro vývoj jakéhokoli katalyzátoru, použitelného v praxi, je použití vhodné techniky pro získání potřebné katalytické částice.
Obě výše uvedené oblasti (1) a (2) rovněž zahrnují základní charakterizace katalyzátorů (stanovení základních fyzikálních vlastností, texturní analýza apod.) jako prostředků pro získání okamžité informace o charakteru katalyzátoru.
- TESTOVÁNÍ KATALYZÁTORŮ A VÝVOJ PROCESŮ je orientováno na katalyzátory v průmyslově aplikační formě cestou stanovení jejich aktivity a selektivity, a to v krátkodobých i dlouhodobých postech, které rovněž umožňují experimentálně studovat rychlost deaktivace.
- IDENTIFIKACE PRODUKTŮ založená na moderní instrumentální analýze. Je zaměřena na to, aby umožnila podrobný popis reakčních sítí pomocí pokročilých technik, jako jsou GC/MS, GCxGC/MS a HPLC/MS prostřednictvím identifikace všech důležitých sloučenin v jakémkoliv složitém produktu nebo surovině, např. v biooleji z pyrolýzy biomasy. Podrobná analýza je potřebná pro určení selektivity procesu nebo katalyzátoru, pro porozumění reakčnímu mechanismu a pro návrhy následujících kroků separace.
Syntéza katalyzátorů
1. SYNTÉZA KATALYZÁTORŮ
Autoklávy
Autoklávy jsou vybaveny teflonovou vrstvou, která umožňuje syntézy v přítomnosti korozivních médií (např. v případě zeolitů). Kromě malých autoklávů (100 ml) jsou klíčovým vybavením velké míchané autoklávy (1 a 5 l), které jsou určeny pro ověřování syntetických technik ve větších měřítcích. Autoklávy mají ohřev do 200 °C (1litrový) nebo 350 °C (5litrový), provozní tlak do 2,5 MPa. Tímto způsobem lze získat zeolitový katalyzátor v jedné šarži až do množství 150, resp. 750 g. Navíc lze syntézy zvětšovat až na úroveň 50 l. Pro tyto účely je k dispozici míchaný nerezový reaktor, který lze používat až do teploty 150 °C a tlaku 2,5 MPa. Katalyzátor oddělený filtrací lze sušit v rozprašovací sušárně a získat tak katalytický prášek s velikostí částic do 30 mikronů.
Srážecí aparatura
Srážecí aparatura umožňuje přípravu katalyzátorů srážecí metodou, a to v objemech od 1 do 50 l. Katalyzátory lze připravovat ze dvou roztoků prekurzorů (nátok kapaliny do 1 l/h ze dvou kapalných roztoků a jednoho plynného média). Aparatura je vybavena automatickým řízením teplot (5-120 °C) a rychlosti míchání (50-250 ot/min). Způsob přídavku roztoků lze řídit měřením pH (např. pokud je srážení prováděno za konstantní, předem dané hodnoty pH). Aparatura je vybavena tlakovou filtrací.
Interní techniky charakterizace
Pomocí různých měřicích technik bude zajištěna bezprostřední zpětná vazba v procesu přípravy katalyzátoru. Tyto techniky zahrnují rentgenovou difrakci XRD pro stanovení struktury, rentgenovou fluorescenci XRF pro stanovení chemického složení, rtuťovou porozimetrii (AutoPore IV 9510) a fyzisorpci (AutoSorb iQ) pro stanovení texturních vlastností připravovaných katalyzátorů. Přístrojem pro chemisorpční měření (AutoChem 3950HP) lze navíc u katalyzátorů stanovit redukovatelnost jejich aktivní fáze a její disperzi nebo aciditu katalyzátorů, což umožní optimalizaci procesu syntézy katalyzátorů.
Fotogalerie infrastruktury CATPRO (1)
Formování katalyzátorů
2. FORMOVÁNÍ KATALYZÁTORŮ
Hnětací stroj
Tento přístroj umožňuje přípravu homogenní katalyzátorové hmoty v množství od 100 do 1000 ml při řízených podmínkách (teplota 5 až 80 °C, nastavitelná rychlost mísení). Katalyzátorová hmota je pak převedena do extrudéru.
Extrudér
Katalyzátorová hmota je zpracovávána v extrudéru (Caleva VDE). Volbou vhodné vytlačovací matrice (válec, trojlístek atd. a jejich průměr 1 až 5 mm) se vytvářejí výtlačky požadovaného průměru a tvaru při regulované teplotě (5 až 80 °C) a rychlosti vytlačování. Po nařezání, vysušení a kalcinaci jsou připraveny pro použití.
Peletovací stroj
Zařízení (Pharservice MI-204) umožňuje připravit z původního katalyzátorového prášku katalyzátorové válcovité pelety (min. 350 pelet/h) o průměru 2 až 10 mm a s nastavitelnou výškou.
Doplňková charakterizace
Mechanickou pevnost výtlačků a pelet lze vyhodnotit pomocí speciálního zařízení (Micro-Epsilon UMZ/3k) podle ASTM norem D4179, D6175 a D7084. Pro charakterizaci tvarovaných katalyzátorů jsou samozřejmě k dispozici i výše uvedené interní techniky.
Fotogalerie infrastruktury CATPRO (2)
Testování katalyzátorů...
3. TESTOVÁNÍ KATALYZÁTORŮ A VÝVOJ PROCESŮ
Pokusné jednotky pro hodnocení aktivity katalyzátorů
Základem infrastruktury je sestava různě velkých čtvrt-provozních jednotek, které umožňují výzkum heterogenních katalyzátorů a katalytických procesů v reaktorech s pevným ložem. Mohou být provozovány v širokém rozmezí reakčních podmínek – teplota do 600 °C, tlak do 20 MPa, plyny H2, H2/H2S, N2, vzduch a etylen z plynového potrubí. Ostatní plyny mohou být dávkovány z tlakových láhví. Jednotky mohou být rozděleny do dvou základních skupin – jednotky pro nástřiky, obsahující síru (např. procesy hydrorafinace, hydrokrakování a testování katalyzátorů) a jednotky pro bezsirné nástřiky (např. hydrogenace a izomerizace, typicky používající katalyzátory na bázi vzácných kovů, stejně tak další reakce např. kondenzační reakce, konverze CO, parciální oxidace atd.). Tyto průtočné jednotky jsou plně automatizovány a provozovány zkušenou obsluhou 24 hodin denně 7 dní v týdnu. Také mohou být rozlišovány na základě používaného množství katalyzátoru jako malé jednotky (5-20 g katalyzátoru) a velké jednotky (100-200 g katalyzátoru). Reaktory byly zkonstruovány společností Parr.
Navíc infrastruktura zahrnuje také adsorpční, destilační a mikroreaktorovou jednotku.
Mikroreaktorová jednotka se skládá ze šesti nezávislých reaktorů, zkonstruovaných z nerezu SS316. Reaktory jsou konstruovány pro provoz v izotermálním režimu a down-flow modu, pro operační tlak 10-195 bar a teplotu do 500 °C. Každý reaktor má svůj předehřívač, jehož provozní teplota je 350 °C. Do každého reaktoru je zaveden vstup následujících plynů: vodík nebo dusík o průtoku do 100 l/h, vodík o průtoku do 2 Nl/h a propylen do 50 Nl/h.
Mikroreaktorová jednotka je navržena pro nástřik kapalných surovin o viskozitě vyšší než 100 mPas. Pro zachování možnosti práce s různými typy kapalin, mohou být zásobník suroviny i kapalinová trasa do reaktoru temperovány v rozsahu 0-100 °C. Zásobník suroviny může být inertizován dusíkem a míchán pomocí magnetického míchadla. Dávkování kapalné suroviny může být v rozsahu od 3 do 150 ml/h. Výstup odtoku z mikroreaktoru je veden do vysokotlakého separátoru kapalné a plynné fáze, který může být temperován na teplotu 0 až 100 °C. Mikroreaktory jsou vybaveny na odběr vzorků jak v plynné, tak kapalné fázi.
Plynové chromatografy (GC) pro analýzu plynných a kapalných produktů
Infrastruktura je vybavena také plynovými chromatografy, které umožní okamžitou analýzu produktů, a tím zajistí zpětnou vazbu pro provoz pokusných jednotek. Jednu skupinu sedmi chromatografů (Agilent) v jedno- i dvoukanálové verzi, umožňující práci s náplňovými i kapilárními kolonami, lze připojit přímo k pokusným jednotkám, a tak zajistit on-line analýzu plynných produktů z různých chemických procesů – hydrogenace, krakování, hydrokrakování, izomerizace, deoxygenace, Fischer-Tropschova syntéza atd. Kromě těchto přístrojů je k dispozici dalších šest dvoukanálových chromatografů s kapilárními kolonami, vybavených různými typy nástřiku (split/splitless/on-column), které umožňují analýzu širokého spektra kapalných produktů. Skupina chromatografických přístrojů je ještě doplněna dvěma speciálními analyzátory pro simulovanou destilaci (Simdis), pro analýzu složitých výševroucích směsí. Chromatografická zařízení pro podrobnou charakterizaci a identifikaci látek v produktech jsou popsána níže.
Fotogalerie infrastruktury CATPRO (3)
Identifikace produktů
4. IDENTIFIKACE PRODUKTŮ
Systém GC/MS-IT (iontová past) Trace ITQ 1100, Thermo Scientific
Tento systém je vhodný především pro identifikaci neznámých látek v méně složitých vzorcích nebo pro sledování vybraných sloučenin ve znečištěných matricích. Technika MSn, kterou je tento typ přístroje vybavený, umožňuje rutinním způsobem stanovovat sloučeniny, které nelze detekovat jinými GC/MS technikami. MSn poskytuje maximální možnou selektivitu pro vybrané cílové komponenty a eliminuje tak falešně pozitivní či negativní identifikaci.
Systém pro komprehenzivní chromatografii GCxGC/MS-TOF
Systém GCxGC/MS (Pegasus, Leco) s kryogenním tryskovým modulátorem, který je určen pro širokou řadu aplikací, zahrnujících analýzu složitých matric, jako jsou ropné frakce nebo různé přírodní produkty, obtížně analyzovatelné obvyklými jednorozměrnými GC nebo GC/MS technikami. Účinný separační systém umožňuje rozdělovat složky vzorku jak podle jejich bodu varu, tak na základě jejich polarity. Ve spojení s vysoce výkonným softwarem lze provádět například skupinovou analýzu ropných produktů na základě počtu aromatických kruhů nebo počtu uhlíkových atomů v bočních alkylových řetězcích v molekulách aromatických uhlovodíků. Rozdělené skupiny látek lze vizualizovat ve 2D či 3D formátu a následně i kvantifikovat.
Stolní HPLC/MS systém
Spojení vysoce účinné kapalinové chromatografie na kolonách s normálními a reverzními fázemi s hmotnostní spektrometrií s vysokým rozlišením (UHPLC Dionex + Orbitrap Exactive Plus, Thermo Scientific) bude účinným nástrojem pro separaci, identifikaci a kvantitativní stanovení sloučenin a jejich skupin v nejsložitějších vzorcích, zejména z oblasti zpracování biomasy. Díky hmotnostnímu analyzátoru Orbitrap poskytuje detektor Exactive Plus hmotnostní spektra s vysokým rozlišením a přesně stanovenými hmotami v celém rozsahu pro rychlou, reprodukovatelnou a přesnou analýzu s mimořádnou spolehlivostí. Systém bude vybavený různými ionizačními technikami pro různé typy organických látek. Extrémně vysoká rozlišovací schopnost tohoto MS detektoru také uživatelům umožní analyzovat jejich vzorky přímým nástřikem bez předchozí separace kapalinovou chromatografií.
Všechny kombinované analytické techniky (GC-LC/MS) mohou být navíc využity v dalších oblastech zkoumání, jako ochrana životního prostředí (analytika vod a odpadů), bezpečnost potravin, farmacie, biochemie atd.
Fotogalerie infrastruktury CATPRO (4)
