《工业催化基础》讲义3.pptVIP

第三章 工业催化剂的研究方法 主要内容： 工业催化剂的性能评价、测试 催化剂结构表征的常用研究方法 第三章 工业催化剂的研究方法 当设计的工业催化剂制备工作完成后，紧接着就要对催化剂的性能进行各种评价和测试。通常情况下，催化剂性能优劣的评价指标主要是催化剂的活性、选择性和使用寿命。当然，还要从催化剂的抗毒性、机械强度、物理性质、经济性等多方面综合考虑。催化剂的活性、选择性、稳定性不仅取决于催化剂的化学组成，而且与催化剂的结构密切相关。 表3-1 列出了催化剂的一些主要评价项目。 第三章 工业催化剂的研究方法 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 催化剂的活性测定方法大体上可分为两类，一类为流动法，另一类为静态法。流动法的反应系统是开放的，供料连续或半连续。静态法的反应系统是封闭的，供料不连续。流动法包括用于固定床催化剂测定的一般流动法、流动循环法、催化色谱法，以及沸腾床、移动床催化剂活性的测定。由于工业生产中的催化反应多为连续流动系统，所以，一般流动法应用最广。流动循环法和催化色谱法主要用于研究反应动力学和反应机理。静态法包括一般静态法和静态循环法，静态法适合于高压催化反应或原料要求消耗少的催化过程，以及催化基础研究。 通常，催化剂的活性评价和动力学研究是在实验室的反应器中进行的，这可以节省大量的资金，并且操作更容易控制。下面是几种最常用的研究催化剂的反应器。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 一、催化剂活性的测定 （一）固定床反应器 它是一种流动法测定催化剂活性常用的反应器，有不锈钢管或石英玻璃管制成，可用于积分或微分操作方式，用于积分操作方式的称为积分反应器，用于微分操作方式的称为微分反应器。 积分反应器：如图所示，即实验室常用的微型管式固定床反应器。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 固定床反应器用于积分操作方式时，催化反应可达到较高的转化率。由于在反应器进口和出口处物料的组成有显著不同，不能用一个数学上的平均值代表整个反应器中物料的组成，因此，催化剂床层首尾两端的反应速率变化较大，并且沿催化剂床层有较大的温度梯度和浓度梯度。可见，这时获取的反应速度数据只能代表转化率对时空的积分结果，故名积分反应器。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 1、优点： （1）与工业反应器基本接近； （2）催化剂评价数据直观； （3）不要求分析上的高精度（因转化率高）。 2、缺点 （1）热效应大的反应床层温度控制较难； （2）床层内温度梯度难以确定。 通常在动力学研究中，积分反应器可分为恒温和绝热两种模式。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 （二）釜式反应器 它是一种静态法测定催化剂活性的常用反应器，也称做高压釜反应器。可间歇式操作或连续流动式操作，一般可用于各种温度、压力条件下的液－固、气－液－固催化反应中催化剂活性的评价、测试研究工作。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 使用釜式反应进行催化剂活性测试要注意以下两点： 1、由于高压釜的热容量一般都较大，很难做到快速升温和降温，因此，对一些温度敏感的催化反应来说，可能会造成产物分布变宽、选择性降低等问题； 2、在反应过程中，反应物和产物等物料的分压较难控制，同时，物料的取样和分析比较麻烦，因此，一般情况下得到的是反应完成后物料的组成，这只能代表一段时间内的平均值。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 二、催化反应动力学的测定 催化反应动力学的测定与催化剂活性的测定目的是不同的。催化剂活性的测定通常是在相同的操作条件下，如相同的反应温度、压力、进料空速、原料配比等操作条件下测定催化剂的活性、选择性，从而比较催化剂性能的差异，筛选出性能优异的催化剂。而催化反应动力学的测定，则是对筛选出的性能最优的催化剂在不同的操作条件下，测定其操作条件变化时对催化剂性能影响的定量关系，为催化剂工程设计和催化反应器设计提供指导。常用于催化反应动力学测定的反应器如下： 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 （一）微分反应器 微分反应器是一种结构与积分反应器类似的固定床反应器，催化剂床层非常短，催化剂颗粒很细，催化剂装量也很少（一般为数十毫克），单程转化率很低（一般在5％以下） 。因此，当通过催化剂床层的催化反应的转化率很低时，催化剂床层进口和出口物料的组成差别就会小的足以用其平均值来代表全床层的组成，这样只要用精确的分析方法确定催化剂床层进出口的浓度差，便可以求得反应速率与物料浓度、反应温度的微分数据（即Δc/Δt 近似为dc/dt，并等于反应速率r），获得催化反应的动力学方程。因为从这种反应器可求得r对分压、温度的微分数