催化工程第一章第二节.ppt

第一章§2 催化剂概述 一 工业催化剂的基本要求 在大规模的生产过程中，处于生产实际的操作条件下（压力、温度、接触时间、含有杂质或者为混合物的原料反应物），具有工业生产实际意义的催化剂应该满足三个基本要求，即 活性（activity) , 选择性（ Better selectivity, High yield) 寿命（lifetime) 稳定性（stability Slow deactivation) 催化剂应该是环境友好的，反应剩余物是生态相容的，反应过程符合循环经济的要求。 Activity High reaction rate is desirable Higher output, smaller reactor volume is preferred Low reaction temperature and low pressure are favored ,Easy operation 1 催化活性： （1）反应速率的表示法 催化反应动力学研究中最重要的物理量，对于固体催化剂一般指在一定的条件下（一定质量的催化剂，一定的温度、压力）的反应速率。 Ω，表示反应空间，对于均相催化反应表示反应体系的体积V;在使用固体催化剂的气固多相催化反应的情况下，可以是固体催化剂的体积V、表面积S或催化剂的质量w.因而它可以表示单位体积上、单位面积上或单位质量的催化剂上的反应速率. 很显然，催化反应的速率愈高，催化剂的催化活性愈高。考虑到单位质量的催化剂上活性中心的数量是一定的，可以把单位质量的催化剂上的反应速率转换为每个活性中心上的反应速率. （2） 转换频率turnover frequency (TOF) A是活性中心的总数， TOF 是单位时间内每个活性中心上所发生的总包反应次数。这是从分子水平上表达催化活性。因而是最严格，最科学。- 工业应用过程中固体催化剂的TOF数量级是10-2 -102s-1，酶催化剂是103-107s-1 TOF is the function of reaction conditions such as temperature, presure and reaction system 转换数 turnover number ( TON) 指催化剂使用至失活时每个活性中心所转化反应的次数， 它与TOF的关系是： TON=TOF(时间-1）*催化剂寿命（时间） 工业生产中TON一般是106-107 优点：在相同的实验条件下，可以允许对不同的研究者的实验数据进行对比，复查 和校核。 缺点：活性中心的数量不容易测定。 目前还仅限于理论方面的应用。 （3）比活性 （specific activity) 催化剂单位表面积上的速率常数 a=k/s a 为比活性，k为催化反应的速率常数 s 为催化剂的表面积 固体催化剂的活性与表面积的大小以及化学组成有关。为了研究不同的化学组成对催化活性的影响，就需要去除表面积对催化活性的影响。比活性是单位表面积上的速率常数，因而它就去除了表面积对催化活性的影响。比活性只与催化剂的化学组成有关，与表面积的大小没有关系。 （4）时空收率 (space time yield) 在一定的条件（温度、压力、进料组成和进料空速）下单位时间、单位质量（或单位体积）的催化剂上所得到的目的产物的mole量。 用时空收率表示催化活性很实用，比较直观,在生产和工程设计上应用比较方便。 （5）其他的表示方法 在一定的条件（温度、压力、空速）下，某种给 定反应物的转化率 达到某个给定的转化率所需要的反应温度 在反应温度和转化率一定时，所允许的空速 反应的活化能 2 选择性Selectivity 当反应物在一定的反应条件下可以按照热力学上几个可能的方向进行反应时，使用特定的催化剂就可以对其中一个方向产生强烈的加速作用，这种专门对某一化学反应起加速作用 的能力称为催化剂的选择性 High yield of purpose product 选择性的表示方法 生成多种产物时，对某一产物的选择性可以用生成该产物的反应速率与生成所有产物的速率之和的比值来表示。 1 化学选择性 chemo-selectivity 有两个平行的反应路径，且两个反应有相同的速率表达形式，则催化剂对第一个反应的选择性 S1=K1 /(K1+K2) 2 区域