《工业催化原理》讲义(07)23.ppt

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 催化剂的研究中，其性能评价和结构测试是重要的组成部分。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 列出了一些主要的评价项目。 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 催化剂活性评价的方法大致分为两类，即流动法和静态法。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的一般流动法，流动循环法（无梯度法），催化色谱法，以及沸腾床和移动床催化剂活性评价。静态法包括一般静态法和改良静态循环法。一般流动法应用最广，流动循环法、催化色谱法和静态法主要用于研究反应动力学和反应机理。 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、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 在这类反应器中，催化剂床层首尾两端的反应速率变化较大，沿催化剂床层有较大的温度梯度和浓度梯度，利用这种反应器获取的反应速度数据，只能代表转化率（生成率）对时空的积分结果，因此得名积分反应器。 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、微分反应器 与积分反应器结构相似，只是催化剂床层更短、更细，转化率比积分反应器低的多（一般催化剂装量为数十毫克，单程转化率在5％以下）。如通过催化剂床层的转化率很低，床层进口和出口物料的组成差别少得足以用其平均值来代表全床层的组成，即Δc/Δt 近似为dc/dt，并等于反应速率r ，则可以从这种反应器求得r对分压、温度的微分数据，因此得名微分分反应器。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 1、优点： （1）床层内无温度梯度（因转化率低）； （2）可直接测定与反应温度对应的反应速度。 ? 2、缺点 （1）分析上要求精度高； （2）难以得到高转化条件下相关数据。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 三、无梯度反应器 可以直接而又准确的求出反应速率数据。按气体的流动方式，可分为： 1、外循环式无梯度反应器 活塞式反应器，用循环泵循环物料。 ? 2、内循环式无梯度反应器 借助搅拌叶轮的转动，推动气流在反应器内部作循环流动。 ? 3、连续搅拌釜式反应器 在高速搅拌下，消除催化剂与反应物的温度和浓度梯度。 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 四、催化剂活性评价和动力学研究实例 通过动力学研究，可以获得： 1、建立本征动力学模型； 2、确定反应的转化率、选择性、反应速率等； 3、优化及检验模型参数； 4、求得动力学方程 第一节 工业催化剂活性评价和动力学研究 总之，催化剂的性能评价和动力学的研究的目的是不同的。 催化剂的评价主要是相同操作条件（温度、压力、空速、原料配比等）下，比较不同催化剂的性能（活性、选择性等）的差异； 动力学研究是对确定的催化剂（一般是筛选出的最优催化剂），在不同的操作条件下，测定其操作条件变化时对同一催化剂性能影响的定量关系。 第二节 催化剂的宏观物理性质测定 工业催化剂是具有发达孔系和一定内外表面的颗粒组成的，其颗粒集合体如下图所示： ? ? 第二节 催化剂的宏观物理性质测定 在催化剂的化学组成、结构确定的情况下，构成催化剂的颗粒、孔系等宏观物理特性对催化剂的性质起着重要的作用。 因此，催化剂的宏观物理性质的测定是催化剂研究不可缺少的部分。下面是一些主要的测定方法： 第二节 催化剂的宏观物理性质测定 一、催化剂颗粒直径与粒径分布的测定 ? 1、1 mm以上：标准筛分法； 2、1 mm以下：重力沉降法、电镜法、激光散射法等。 ? 二、催化剂机械强度的测定 1、压碎强度测定。 2、磨损性能测试。 ? 第二节 催化剂的宏观物理性质测定 三、催化剂比表面积、孔结构的测定 1、比表面积：BET法和色