第十一章工业催化剂评价.ppt.ppt

第十一章 工业催化剂的活性评价与宏观物性的表征 本章的教学目的与要求 本章主要讲述催化剂活性测试的基本概念、催化剂活性的测定和催化剂的宏观物性及其测定。 要求深刻理解和熟练掌握的重点内容有：?影响催化剂活性的主要因素，催化剂的表面积，孔结构的实验测定及其对催化反应的影响。 要求一般理解与掌握的内容有：?催化剂活性的实验测定方法，催化剂的机械强度的测定。 表征催化剂可提供的信息 化学组成和结构 纹理组织及机械性质 催化活性 11.1. 催化剂活性测试的基本概念 活性测试的目标 催化剂活性评价反应器的类型及应用 11.1.1.活性测试目的 常规质量控制检验 筛选催化剂 比较催化剂 测定反应机理 测定催化剂反应动力学 模拟工业条件连续运转 衡量催化剂活性参数 在给定反应温度下原料达到转化率 原料达到转化程度所需要的温度 在给定条件下的总反应速率 在特定温度下对于给定转化率所需的空速 从体系的实验研究所推导的动力学参数 11.1.2.活性评价反应器 如何选择反应器？ 标准：一个好的实验室反应器应能使反应床层内颗粒间和催化剂颗粒内的温度梯度和浓度梯度降到最低，这样才能认识在传质、传热不起控制作用的情况下催化剂的真实行为。 选择：决定于反应体系的物理性质、反应速率、热性质、过程的条件、所需信息的种类和可得到的资金。 反应器分析的基本概念 间歇式：是一封闭体系（恒容），任一瞬间，反应器内各处的组成是均匀一致的，反应体系的组成随时间而变化，直至反应达到平衡。 连续式：是一个敞开体系，因而是一个恒压体系；一定组成的反应物连续地流入反应器，边流动边进行反应。 连续流动搅拌釜式反应器（CSTR） 活塞流反应器（PFR） 间歇式反应器 缺点： 优点：装卸时间快；投资少。 用间歇式高压釜鉴定催化剂性能上不会出现微小的差别。 暂态反应器 脉冲反应器 优点：体系简单； 测试迅速； 同时测试多种催化剂。 缺点：在催化剂表面建立不起平衡条件。 脉冲反应器构造 连续流动反应器 活塞流反应器 再循环微分反应器 返混式反应器 滴流床反应器 流化床反应器 活塞流反应器 再循环反应器 返混式反应器 流化床反应器 11.2. 催化剂活性的测定 影响催化剂活性测定的因素 测定活性的实验方法 活性测试的实例 工业催化剂的具备条件 反应活性高 选择性好 构型规则 机械强度大 寿命长 11.2.1.影响催化剂活性测定的因素 催化剂颗粒直径与反应管直径的关系 外扩散限制的影响 内表面利用率与内扩散限制的消除 催化剂颗粒直径与反应管直径的关系 用流动法测定催化剂活性时，要考虑气体在反应器中的流动状况和扩散现象。 为了消除管壁效应和床层的过热，反应器的管径与催化剂颗粒之间应满足一定的关系。 外扩散限制的消除 为了避免外扩散的影响，应该使反应气流处于湍流条件。因为层流容易产生外扩散对过程速率的阻碍。 是否存在外扩散影响，需要实验测定。 内表面利用率和内扩散限制的消除 内扩散阻力和催化剂宏观结构（颗粒度、孔径分布、比表面等）相关。 当催化剂内各点的浓度和温度相等时，无内扩散的影响，其反应速率为rs，当存在内扩散时，存在一个内表面利用率或效率因子，此时反应速率为rp,他们之间由效率因子η关联。 催化剂活性与其宏观结构的关系 催化剂本身的活性是它的活性组分的化学本性和比表面的函数，除去构成它的化学组元及其结构外，也与其宏观结构有关。 宏观结构决定了扩散速率，从而影响催化反应的主要因素。 Thiele模数 催化剂与催化剂内表面利用率的关系 从上页公式可以看出，颗粒直径d大则hs大，η降低；对于小孔和快速反应（k）大，hs大而η低，内扩散限制显著；反之，d小，大孔，慢反应， η提高，当η＝1时，可以忽略内扩散限制。 多孔催化剂的活性与催化剂的内表面利用率成正比（即与催化剂的颗粒半径成反比，与有效扩散系数的平方根成正比） 11.2.2.测定活性的实验方法 将催化剂样品放进管式反应器内，催化剂层中的热量用热电偶测量，并将反应器放置在恒温装置中。 原料加入的方式（减压阀、气体发生装置、压缩机、鼓泡法、蒸发法） 分析反应物的组成，可计算表征催化剂活性的转化率。 11.2.3.活性测试的实例 钴钼加氢脱硫催化剂的活性测试 氨合成催化剂的活性测试 丙稀选择性氧化催化剂的活性及反应动力学的测试 11.3. 催化剂的宏观物性及其测定 宏观物性是指由组成它的各粒子、或粒子聚集体的大小、形状与空隙结构所构成的体积、形状及大小分布的特点，以及与此有关的传递特性及机械强度等。 催化剂的表面积的测定 催化剂的孔结构及其测定 催化剂机械强度的测定 11.3.1.催化剂的表面积及其测定 表面积与活性的关系：一般是表面积越大，催化剂的活性越高。但由于制备和操作方法式的不同导致表面积与