第九章催化剂成型,苏建勋详解.ppt

第九章 催化剂成型 成型：各类粉体、颗粒、溶液或者熔融体原料在一定的压力下，互相聚集，制成具有一定形状、大小和强度的固体催化剂颗粒的单元操作过程，是催化剂生产中不可缺少的工序，对催化剂机械强度和性能都有一定影响。 催化剂成型的目的 1、催化剂的使用性能，与催化剂成型方法有不同程度的关系。 2、催化剂通过成型加工，就能根据催化反应及装置要求，提供适宜形状，大小及机械强度的颗粒催化剂，并使催化剂充分发挥所具有的活性及选择性，延长催化剂使用寿命。 3、减小流体流动所产生的压力降，防止发生沟流，获得均匀的流体流动。 9.1 成型加工对催化剂性能的影响 固体催化剂不管以任何方法制备，最终都以一定形态和尺寸在反应器中使用，因而成型是催化剂生产中一个重要的工序。 早期成型方法是将块状物质破碎，然后筛分出适当的粒度，不规则形状的颗粒，这样制得的催化剂、形状不固定。在使用时易产生气流分布不均匀现象，大量被筛出的颗粒、甚至粉末，无法利用，造成浪费，所以需要成型。 9.1.1成型工序的重要性 1同样的物料由于成型方法和工艺的不同所制得的孔结构，比表面积和表面纹理结构有显著地差别。催化剂的形状，必须服从使用性能的要求 市售催化剂必须是颗粒状或微球状，以便均匀的填充到反应器中. 工业催化剂常见的形状：圆柱形、球形、条形、蜂窝形、齿轮形。 催化剂床层要求填充均匀. 可以选择圆柱形，且比表面积较大，空心圆柱形，填充量大，且颗粒耐磨性高，球形；沸腾床用小颗粒或微球。 催化剂的形状、尺寸、机械强度必须与相应的催化反应过程和催化反应器匹配，服从使用性能的要求 固定床用催化剂：催化剂床层要求填充均匀，可以选择圆柱形或空心圆柱形，且比表面积较大；填充量大，且颗粒耐磨性高，球形；对催化剂的要求强度、粒度，变化范围较大。形状不均匀，催化剂颗粒尺寸过小，加大气流阻力，影响正常的运转； 移动床催化剂：催化剂不断移动，机械强度要求高，减少磨损，无角小球，粒径3～4 mm； 流化床催化剂：保证流化态，具有良好的流动性，微球，20～150 um； 沸腾床用小颗粒或微球。 悬浮床催化剂：催化剂颗粒在液体中循环流动，微米级或毫米级球形颗粒。 成型加工对催化剂制备性能的影响 3、 2催化剂成型工艺影响催化剂性能 1)催化剂的效率、强度、寿命和表面的可利用性等重要性质，在很大程度上这些性能取决于成型工序，通过成型操作获得。 2)催化剂颗粒大小、形状、表面性质等特性决定反应器内流体动力学操作条件，反应器的生产能力，过程选择性，这些性质通过成型获得。 3）成型操作强化了多相反应过程特点，影响催化剂的活性、选择性、流动阻力等性能。 成型操作最核心的影响的三个方面： 活性、 床层压力降、 传热等。 催化剂成型关键问题：保证在催化剂机械强度以及压力降允许的前提下，尽可能提高催化剂的表面积利用率。 原因：许多工业催化反应是内扩散控制的过程，单位体积反应器内所容纳的催化剂表面积越大，活性越高，生产能力越大。 蒸汽重整反应为内扩散控制的反应，采用异化形催化剂效果好，由拉西环，改为七形孔、牙轮形、增加外表面，提高反应性能。 酸中毒：催化剂化学性质物理结构不变，就可以提高活性，减小压降改善传热。 甲烷化催化剂、硫酸生产催化剂：球形催化剂。 炼油加氢催化剂：四叶蝶形（原来圆柱形、球形）颗粒小，强度高，压力降低，特别适于扩散控制过程。 9.1.2 成型对催化剂性能的影响 1 .催化剂形状和尺寸对反应器，填充床压力降的影响，催化剂床层中液体力学特性，床层压力降大，气流分布均匀，降低压力降，有利于减少动力消耗； 压力降：与颗粒大小、形状、流体流速、流体物理性质、床层孔隙率、床层高度有关。 颗粒大，压力降小，容易出现断流、沟流。 因此，工业催化剂要求：适应的尺寸、形状、使反应器中的流体不产生过大的压力降，流体分布均匀 2催化剂的形状和尺寸对催化剂有效因子的影响 多相催化剂多为内扩散控制的过程，较小催化剂颗粒可以减小内扩散的影响，提高催化剂表面利用率，提高反应活性，改变催化剂的选择性。 效率因子η：表示传质过程对化学反应速率的影响程度 在等温条件下， 式中：R－有效速率， kcn － 无内扩散的反应速率， η -取决于催化剂颗粒的席勒模数ΦL 。 ΦL大，内扩散影响大 与反应温度，反应物浓度，催化剂颗粒尺寸和结构 η的影响因素 催化剂颗粒尺寸 催化剂颗粒空隙率 催化剂内孔径 催化剂孔道的曲折程度 催化剂本身的几何形状 在工业过程上，压力降允许的条件下，尽量采用小颗粒度的催化剂，同时改变催化剂的工程结构， 降低内部传质阻力，提高催化剂性能。 3成型对催化剂机械强度的影响 从强度角度考虑固体催化剂使用效果时，工业催化剂应具有抵抗以下