第六章工业催化剂的活性评价与宏观物性表征.ppt

工业催化　第六章　 第六章　工业催化剂的活性评价与宏观物性表征 授课对象： 化学工程与工艺专业 评估工业催化剂实际价值（性能） ⑴活性；⑵选择性；⑶寿命；⑷价格；⑸环保性能. 催化剂的表征的目的 工业上催化剂的活性、选择性、寿命等一系列反映催化剂实际性能的指标是由催化剂的组成、结构、物化性能，特别是由催化剂表面原子的配位状态及其相互作用决定的。 理论上：实验室催化剂测定活性的条件应该与催化剂的实际应用条件完全相同； 实际实验室内小规模地进行； 要求：将两种规模下获得的数据加以关联。 评价催化剂的活性时必须弄清催化反应器的性能。 §6.1 催化剂活性测试的基本概念 一、活性测试的目标 ⑴ 催化剂制造商或用户进行的常规质量控制检验； ⑵ 快速筛选大量催化剂，以便为特定的反应确定一个催化剂评价的优劣； ⑶ 更详尽地比较几种催化剂。在最接近于工业应用的条件下进行测试，确定各种催化剂的最佳操作区域。 ⑷ 测定特定反应的机理； ⑸ 测定在特定催化剂上的反应的动力学； ⑹ 模拟工业反应条件下催化剂的连续长期运转。 二、评价催化剂活性的一般参量 ①在给定的反应温度下原料达到的转化率； ②原料达到给定转化程度所需的温度； ③在给定条件下的总反应速率； ④在特定温度下对于给定转化率所需的空速； ⑤由体系的试验研究所推导的动力学参数。 三、反应区域问题 没有浓度或温度梯度的本征动力学是理想的情况，实际催化过程中存在扩散限制。 工业催化过程大多处于扩散区或靠近内扩散的过渡。 通常采用简便的实验方法：对于固定床催化剂，保持恒定空速增大流体线速度。 若反应速率明显提高则反应处于外扩散区; 若随减少催化剂颗粒度，反应速率(或转化率)递增，则指示存在明显内扩散区的传递效应。 四、实验室活性测试反应器的类型及应用 实验室催化反应器 ①非稳态 ②稳态 ③间歇 ④半间歇 ⑤暂态（脉冲） ⑥连续的 实验室反应器的类型 1. 管式反应器 管式反应器是使用最多的一种固定床反应器。 方便评价催化刊活性、选择性、稳定性，一般在稳态下连续操作； 从传热方式区分，有等温床、准等温床和绝热床； 以物料存在状态区分，有两相反应床和多相反应床； 而按反应方式则区分为微分法床积分床。 由Pyrex（硅酸盐耐热玻璃）制作的简单管式反应器 无论反应器尺寸大小，要求管径和长度与装填催化剂颗粒尺与外形匹配。 反应器管(直)径与催化剂颗粒粒(直)径比不低于2-10，管长与催化剂颗粒粒径比大于50-100； 催化剂床层与管径比也不宜太小，为防止可能产生的沟流，一般应大于6。 管式反应器特点： ①反应物的分子在反应器内停留时间相等，在反应器内任何一点上的反应物浓度和反应速度都不随时间变化，只随管长变化； ②单位反应器体积具有较大的换热面，特别适用于热效应较大的反应； ③反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产率高； ④适用于大型化和连续化的化工生产； ⑤和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近于理想置换流。 2. 固定床反应器与流化床反应器 固定床反应器 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现 多相催化过程的一种反应器。 固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。 固定床反应器的优点是： ①返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。 ②催化剂机械损耗小。 ③结构简单。 固定床反应器的缺点是： ①传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）。 ②操作过程中催化剂不能更换，催化剂需要频繁再生的反应一般不宜使用，常代之以流化床反应器或移动床反应器。 流化床反应器 一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。 在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。 流化床反应器的结构有两种形式： ①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。 例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须用上述装置不断予以分离后进行再生。 ②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。 气固流化床中气泡的存在使得气固接触变差，导致气体反应得不完全。 不宜用于要求单程转化率很高的反应。 3. 微分反应器和积分反应器 微分反应器（differential reactor；无梯度反应器 ） 反应物系连续流过反应器后，其组成无明显的变化，即反应器内流体相中无浓度梯度，此种反应器称为微分反应器。 由于物系组成无明显的变化，反应热效应很小，若不计入热损失