规整结构的催化剂.docx

规整结构催化剂的研究及应用 摘要 文章概述了规整结构催化剂的研究进展和应用现状，重点阐述了多孔材料的流动渗透机理和强化传热机理，为研究微纤规整结构的催化剂的传质和传热提供参考。在催化作用中，规整结构催化剂将在更多的领域应用，特别是在多相过程中的应用非常有吸引力，有很好的应用前景。 关键词 规整结构，催化剂，多孔材料，传质，传热 引言 气液两相快速化学反应很容易在反应器和催化剂中产生浓度梯度，这是保证物质快速扩散和反应的前提。由于液体扩散能力较弱，而且气体必须先扩散到液体中再到达催化剂表面，这导致处于催化活性位的反应物浓度较低，影响整个反应的速率和选择性。 在化学工业中，催化反应尤其是非均相催化反应在化学反应过程中占有重要的地位。气固相和气液固相三相催化反应是其中重要的反应类型。传统的多相催化反应器主要有滴流床反应器和淤浆反应器。滴流床反应器解决了液体层阻力过大的问题，但是在大型的滴流床反应器中，低液速操作时液流径向分布不均匀，并引起局部过热，催化剂颗粒不能太小，而大颗粒催化剂存在明显的内扩散影响，甚至比气固相反应器更为严重。淤浆反应器因其较小的催化剂粒径更适合快速反应，但是催化剂的分离操作费用巨大，而且至今还没有成熟的分离技术。规整催化剂及反应器兼有两者的优势，规整催化剂可以由金属或非金属组成，内部有大量均匀分布的微小通道，可以提供足够大的空隙率和催化剂活性表面。具有低的阻力降和高的比表面，且催化活性位都暴露在外表面，内扩散基本上可以忽略，催化效率很高。可以像静态混合器那样安装在管路中，具有结构紧凑、成本低、易维修和安全性好等优点。 Stankiewicz[1]介绍了DSM公司的模型研究结果，采用了整体式催化剂后，可望使传统的反应器和分离塔的体积缩小约两个数量级。Moulijn 和 Kapteijn[2-6]首先采用了蜂窝陶瓷作为催化剂载体，而其他人使用了纤维，织物和纱布等[7-10]。本文介绍了规整结构催化剂的特征和制备方法，着重介绍了微纤结构化整体式多孔材料的研究进展，最后对规整结构催化剂在工业上的应用进行了概括。 1 规整结构催化剂的特征和制备 规整结构催化剂由活性组分、助催化剂、分散担体和骨架基体等四部分构成。从催化剂活性组分负载的角度来看，规整结构催化剂的第一载体是起骨架基体作用的规整载体，一般是一个整块的陶瓷或金属材质的载体快；分散担体部分被视作第二载体，一般使用常规的分散剂担体材料，如氧化铝、氧化硅等，起到增加表面积、分散、负载催化剂活性组分的作用。图1-1为规整结构催化剂的结构。 1 骨架基体； 2 活性组分； 3 分散担体； 图1-1 规整结构催化剂的结构 与传统颗粒催化剂填料相比，规整结构催化剂具有高孔隙率，较高的几何比表面积，以及较短的扩散距离，并且放大容易，简单的串联或并联即可实现规整结构催化剂的放大。克服了固定床反应器存在的不足，消除内扩散阻力对非均相反应的影响，减少了非均相催化反应中外扩散，改善了反应物与催化剂接触，减少了产生过热的可能性，具有良好的传质、传热特征。规整结构反应器可实现并流、逆流操作。许多情况下，并流操作模式不是最佳的，当转化率被热力学平衡限制时，逆流操作比并流操作有优越性。规整结构催化剂在深度氧化、羟基化、加氢反应以及脱硝反应中表现出优越的催化性能。 依据催化剂本身和应用场合的要求，可以采用不同的制备方法。假如催化剂有足够的机械强度，可以将催化剂和粘结剂材料一起挤出成整体式结构，这种制备方法适用于对催化效率要求不高，只需大量催化剂的场合，缺点是仅在大规模应用中才够经济。对于已经制备好的性能优良的催化剂，或者其他不需要一 种特定载体材料的催化剂比如分子筛来说，可以在整体式结构的表面直接涂覆或合成。对于需要特定载体材料的整体式催化剂的制备有两种可能：假如载体可以做成整体式，活性相直接沉积在整体表面：假如载体不能做成整体式，则要先将载体材料涂在整体式结构的表面，然后再沉积活性相。使用涂覆技术的优点是催化剂的使用更有效，因为反应物从流体主流扩散到活性表面的距离很小，将催化剂载体材料涂覆至整体表面的技术有：胶体涂覆，溶胶涂覆，浆态涂覆，聚合涂覆等。沉积技术可采用传统的方法：浸渍、离子交换、沉积—沉淀、在载体上涂覆非金属的树脂层等。其它的制备方法还有：将沸石生长在整体式结构的表面，挤出整体式催化剂，有时候也会将载体涂层和活性组分同时负载到整体式的表面等等。沉淀法、浸渍法、熔融法和涂层法都是制备结构化催化剂的重要方法。规整结构催化剂具有反应器尺寸上的规整结构，包括蜂窝结构、固体泡沫结构、纤维结构等。图1-2是利用不同基体采取几种不同制备方法得到的规整结构催化剂的电镜图像。 a Hybrid method suspension/sol-gel: monolith coated with Al2O3