催化劑工業(yè)

詳細介紹

指工業(yè)催化劑的使用特性及與之有關(guān)的物理性質(zhì)，它們是決定催化劑優(yōu)劣的指標。在工業(yè)催化劑中，用量最大的是固體催化劑，常用的評價指標如下：

物理性質(zhì)　與催化性能有關(guān)的主要是催化劑的外表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機械性能和熱性能。

形狀和尺寸 　在化工生產(chǎn)用反應器中，它們直接影響流體流動，包括流體在床層中的分布和流過床層時的壓力降等工程特性，例如在固定床反應器中用球狀催化劑比用不規(guī)則形狀或錠狀催化劑的壓力降小，而環(huán)境保護用的蜂窩狀催化劑又比球狀催化劑的壓力降小(圖1)。單位質(zhì)量的催化劑,因形狀和尺寸不同，具有不同的外表面積。從而影響物質(zhì)從流體內(nèi)向單位重量催化劑的外表面?zhèn)鬟f的數(shù)量，這對于受外擴散控制的反應系統(tǒng)是重要的（圖2）。圖2中陰影區(qū)域為常用球狀催化劑的粒徑范圍和常用蜂窩狀催化劑的孔道數(shù)密度范圍。同時，顆粒尺寸不同，分子在催化劑顆粒的孔隙中進行擴散的距離也不等，這對于內(nèi)擴散控制的反應系統(tǒng)也同樣重要。在流化床中，還要考慮粒度的分布。后者常用催化劑的形狀系數(shù)和當量直徑來描述。 　密度 　分為真密度、顆粒密度和堆密度。真密度指顆粒中固體物質(zhì)的密度(g/ml)。顆粒密度是指包括顆?？紫度莘e在內(nèi)所求出的密度(g/ml)。堆密度是單位容積反應器中填裝的催化劑質(zhì)量，它受催化劑的形狀和尺寸的影響通常以kg/l表示，它直接影響反應器的利用率。

比表面積 　指每克催化劑的表面積(m2)。催化劑比表面的大小，尤其是活性組分的比表面積值常直接影響催化活性。

孔隙構(gòu)造 　多數(shù)催化劑為多孔物質(zhì)，表面積大部分為孔隙中的孔壁所提供的內(nèi)表面積，反應器中物料分子必須克服微孔中的內(nèi)擴散阻力,才能進入或逸出孔隙,導致在孔隙中出現(xiàn)濃度梯度，并且影響分子在催化劑上的停留時間,從而使催化活性和選擇性受到影響,稱內(nèi)擴散效應。通常用催化劑效率系數(shù)（在該催化劑上的反應速度常數(shù)與不存在內(nèi)擴散效應時的反應速度常數(shù)之比值），來表達孔結(jié)構(gòu)的影響?？捎每兹?ml/g)、孔隙率（%）、平均孔徑 ("para" label-module="para">

機械強度 　主要表現(xiàn)為催化劑耐壓強度和催化劑耐磨強度，前者用kg/cm2表示，后者在各廠家中均有特定的測試方法。機械強度差的催化劑，在裝填運轉(zhuǎn)過程中容易破損和流失,從而影響反應器中流體流動的情況,造成壓力降增高，流體分布不均，甚至不能正常操作。致密的催化劑常有較高的機械強度，但孔隙率下降。

熱性質(zhì) 　催化劑的熱導率影響反應床中的熱量傳遞，對于強放熱反應、高熱導率的催化劑，可以減少催化劑局部過熱，減少顆粒內(nèi)部的溫度梯度。熱容與熱膨脹系數(shù)是重要的熱性質(zhì)，熱膨脹系數(shù)低的催化劑更能耐受開工和停工階段的熱沖擊，催化劑不致破碎。

使用特性　與催化劑本身的催化性能、作業(yè)條件、壽命、費用、能耗和對環(huán)境的影響等有關(guān)。

催化性能 　催化活性和催化劑選擇性是催化性能的兩個重要標志。在工業(yè)應用上常使用單程轉(zhuǎn)化率來描述活性，即原料通過催化床一次，催化劑使原料轉(zhuǎn)變的百分率。選擇性則用消耗的原料中轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物的百分率表示。轉(zhuǎn)化率和選擇性常為相互制約的兩種特性，多數(shù)的催化劑在高轉(zhuǎn)化率條件下，選擇性往往下降。另一標志是催化劑的生產(chǎn)能力，可用單位容積（或質(zhì)量）的催化劑在單位時間內(nèi)生成的目的產(chǎn)物數(shù)量來表達，稱時空得量。

作業(yè)條件 　催化劑的作業(yè)條件包括原料的組成、反應溫度、壓力、投料速度等，后者常用空間速度表示，即每單位容積催化劑每小時投入的反應物的容積數(shù)。高活性的催化劑可以在高空間速度條件下作業(yè)。對于特定的催化反應系統(tǒng)，作業(yè)條件對催化劑的活性、選擇性、生產(chǎn)能力、壽命等有特定的影響規(guī)律。苛刻的作業(yè)條件（如高溫、高壓、高純度的原料）都會增加投資與操作費用。催化劑若有較寬的作業(yè)條件范圍，則可以減少反應器設計和過程控制的難度。

①　毒質(zhì)及其最高容許濃度　毒質(zhì)是指原料中會使催化劑中毒的某些雜質(zhì)，為延長催化劑壽命，原料需提純到一定的純度。例如用于催化加氫的多數(shù)金屬催化劑，原料中的硫含量均不能超過 ppm級。若催化劑具有較好的抗毒性，即容許的毒質(zhì)濃度較高，則可減少提純原料所需的費用，并延長生產(chǎn)裝備的開工周期。

②　耐熱性　在高溫條件下,催化劑受熱而衰退,通常用不致引起催化劑不可逆的衰退所能承受的最高溫度表示其耐熱性。正常作業(yè)溫度和能耐受的最高溫度間之差值愈大，則作業(yè)愈安全。有些催化劑在使用過程中活性逐漸衰退，可用逐步升高作業(yè)溫度的方法來彌補活性損失。通常催化劑有規(guī)定的升溫速率和溫升極限。

③　開工方法　正確的開工方法使催化劑進入正常的使用狀態(tài)。如未還原的鐵系合成氨催化劑，開工階段要還原；一氧化碳變換催化劑在開工時需經(jīng)歷釋放硫的階段;加氫精制用的鈷－鉬催化劑要經(jīng)歷硫化階段;否則在開工階段不能獲得正常的產(chǎn)品或達到規(guī)定的產(chǎn)量。如在合成氨工業(yè)中采用已預還原的鐵催化劑，則可縮短開工階段。

④　再生方法　需要頻繁再生的催化劑不宜在固定床反應器中作業(yè)。再生條件與反應條件差別很大時，也難以在同一反應器中進行。（見催化劑再生）

壽命 　優(yōu)良的催化劑要求具有長壽命，不僅是因為更換催化劑所需之費用，而且更換要花費工時，使生產(chǎn)能力遭到損失。（見催化劑壽命）

催化劑費用 　可用生產(chǎn)單位質(zhì)量（或容積）的產(chǎn)品所耗用催化劑的費用來表示，它同時與催化劑生產(chǎn)成本和催化效能、催化劑壽命有關(guān)。對于使用催化劑的工業(yè)生產(chǎn)過程，催化劑費用往往只占總投資中的很小一部分。更重要的是從使用催化劑所導致生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益的提高來評價催化劑。

能耗 　特定的催化劑要在特定的溫度條件下作業(yè)，為此而進行的加熱和冷卻均需耗能；反應物通過催化床、并使未反應的原料循環(huán)也需耗能；若需在高壓條件下作業(yè)，則能耗更大。生產(chǎn)中，不僅要考慮催化反應過程中所需能耗，還必須針對特定的催化劑，為將原料提純和從反應混合物分離出目的產(chǎn)物所需的能耗。對于使用催化劑的生產(chǎn)過程，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)過程，能耗是評價所用催化劑的重要指標。

對環(huán)境的影響 　催化過程的排放物和所產(chǎn)生的副產(chǎn)物可能造成污染。催化劑再生時及生產(chǎn)催化劑時亦可能造成污染，要考慮這些污染對環(huán)境的影響及治理污染的費用。

參考書目

S.W.韋勒主編，南京化學工業(yè)公司研究院譯：《催化劑測試方法的標準化》，化學工業(yè)出版社，北京，1981。（S.W.Weller，Standardization of Catalyst Test Methods,American Institute of Chemical Engineers,New York,1974.）