La sinterizzazione è il fenomeno di disattivazione irreversibile più comune dei catalizzatori industriali in condizioni di alta-temperatura, ampiamente presente in unità chimiche come cracking catalitico, denitrificazione dei gas di scarico e reattori di idrogenazione. A differenza della deposizione di carbonio e dell’avvelenamento del catalizzatore, che possono essere ripristinati tramite rigenerazione, la sinterizzazione provoca danni strutturali permanenti ai catalizzatori che non possono essere riparati, richiedendo la sostituzione completa. Si tratta di un fattore chiave che riduce i cicli operativi delle unità e aumenta i costi di produzione.
La maggior parte dei catalizzatori industriali sono catalizzatori supportati la cui attività catalitica ha origine da particelle metalliche di dimensioni nano- disperse sulla superficie del supporto. L'efficienza della reazione dipende fortemente dall'ampia area superficiale specifica e dagli abbondanti siti attivi forniti da minuscole particelle metalliche. In condizioni operative quali surriscaldamento continuo, servizio a lungo termine-ad alta-temperatura o alta temperatura abbinata a vapore acqueo, la stabilità delle particelle metalliche diminuisce drasticamente. Le particelle metalliche fini migrano, si scontrano e si fondono sulla superficie del supporto, provocando una crescita continua delle particelle e una grave agglomerazione.
Insieme all'agglomerazione delle particelle metalliche, i supporti del catalizzatore si degradano simultaneamente. I comuni supporti porosi come l'allumina e i setacci molecolari subiscono il collasso dei pori e la trasformazione della fase cristallina a temperature estremamente elevate. La loro struttura porosa viene distrutta e la superficie specifica diminuisce drasticamente, perdendo la funzione di disperdere e immobilizzare i metalli attivi. Le particelle metalliche ingrandite e le strutture portanti danneggiate riducono drasticamente i siti attivi e le prestazioni catalitiche, abbassando i tassi di conversione delle reazioni unitarie e aumentando il consumo di energia.
I principali fattori scatenanti della sinterizzazione del catalizzatore includono improvvisi sbalzi di temperatura, sovratemperature locali, brusche fluttuazioni di temperatura ed eccessivo vapore acqueo nel sistema di reazione. Essendo una modalità di disattivazione irreversibile, la sinterizzazione non può essere recuperata attraverso processi convenzionali come la combustione, lo spurgo o la rigenerazione del coke, il che la rende un fastidioso guasto del catalizzatore nella produzione industriale.
Condizioni operative stabili costituiscono il principio fondamentale per prevenire la sinterizzazione del catalizzatore. Gli operatori devono controllare rigorosamente le temperature di reazione per evitare sovratemperature e sbalzi di temperatura, ridurre al minimo le fluttuazioni di temperatura e limitare la concentrazione di vapore acqueo nel sistema. Nel frattempo, l’ottimizzazione delle strutture portanti e l’aggiunta di additivi di terre rare possono immobilizzare le particelle metalliche superficiali e frenare la migrazione e l’agglomerazione delle particelle. Questi metodi migliorano efficacemente la stabilità alle alte-temperature dei catalizzatori, prolungano la durata di servizio e garantiscono un funzionamento stabile a lungo-termine delle unità di produzione.