反應(yīng)器操作與設(shè)計(jì)——化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備固體催化劑基礎(chǔ)知識催化劑基礎(chǔ)知識一二三工業(yè)催化劑制備催化劑的使用主要內(nèi)容：一、固體催化劑基礎(chǔ)知識

催化劑最早由瑞典化學(xué)家貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)。100多年前，有個(gè)魔術(shù)“神杯”的故事。

有一天，貝采里烏斯在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室忙碌地進(jìn)行著實(shí)驗(yàn)，傍晚，他的妻子瑪利亞準(zhǔn)備了酒菜宴請親友，祝賀她的生日。貝采里烏斯沉浸在實(shí)驗(yàn)中，把這件事全忘了，直到瑪麗亞把他從實(shí)驗(yàn)室拉出來，他才恍然大悟，匆忙地趕回家。一進(jìn)屋，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當(dāng)他自己斟滿第二杯酒干杯時(shí)，卻皺起眉頭喊道：“瑪利亞，你怎么把醋拿給我喝！”催化劑的發(fā)現(xiàn)

瑪利亞和客人都愣住了。瑪麗亞仔細(xì)瞧著那瓶子，還倒出一杯來品嘗，一點(diǎn)兒都沒錯(cuò)，確實(shí)是香醇的蜜桃酒?。∝惒衫餅跛闺S手把自己倒的那杯酒遞過去，瑪麗亞喝了一口，幾乎全吐了出來，也說：“甜酒怎么一下子變成醋酸啦？”客人們紛紛湊近來，觀察著，猜測著這“神杯”發(fā)生的怪事。

貝采里烏斯發(fā)現(xiàn)，原來酒杯里有少量黑色粉末。他瞧瞧自己的手，發(fā)現(xiàn)手上沾滿了在實(shí)驗(yàn)室研磨白金時(shí)給沾上的鉑黑。他興奮地把那杯酸酒一飲而盡。原來，把酒變成醋酸的魔力是來源于白金粉末，是它加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了醋酸。后來，人們把這一作用叫做觸媒作用或催化作用，希臘語的意思是“解去束縛”。1836年，他還在《物理學(xué)與化學(xué)年鑒》雜志上發(fā)表了一篇論文，首次提出化學(xué)反應(yīng)中使用的“催化”與“催化劑”概念。

催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中占有極其重要的地位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有90%以上的化工生產(chǎn)過程使用催化劑（如氨、硫酸、硝酸的合成，乙烯、丙烯、苯乙烯等的聚合，石油、天然氣、煤的綜合利用，等等）。均相催化非均相催化化學(xué)催化分類均相催化：催化劑與反應(yīng)物處于同一相時(shí)，沒有相界面的存在。非均相催化：當(dāng)催化劑與反應(yīng)物處于不同相中，催化反應(yīng)在界面上進(jìn)行的催化系統(tǒng)稱為非均相催化。（一）催化作用與催化劑催化劑是化學(xué)中的魔術(shù)師，是化學(xué)工業(yè)中一員主將?？梢哉f，沒有催化劑，就沒有現(xiàn)代的化學(xué)工業(yè)。1.催化作用的定義一個(gè)化學(xué)反應(yīng)要在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)，要求反應(yīng)能以一定的速率進(jìn)行。使用催化劑是既能提高反應(yīng)速率，并具有選擇性且不消耗能量的最有效的方法。加快化學(xué)反應(yīng)速率方法：加熱光化學(xué)電化學(xué)輻射化學(xué)催化劑：能夠加速化學(xué)反應(yīng)的速率而不改變該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化的物質(zhì)。催化作用：催化劑在化學(xué)反應(yīng)中引起的作用，能有選擇的催化熱力學(xué)上可能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，但不能改變反應(yīng)平衡的位置。A——反應(yīng)物R——產(chǎn)物催化劑-A——由反應(yīng)物和催化劑形成的中間物種催化過程2.催化作用的本質(zhì)催化反應(yīng)和原反應(yīng)的能量圖3.催化劑基本特征①加快化學(xué)反應(yīng)的速度，但不進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)計(jì)量②催化劑對反應(yīng)有選擇性CO+H2Cu-Zn-Cr-ONiRh絡(luò)合物FeCH3OHCH4CH2OHCH2OH烴類混合物④不改變化學(xué)平衡的位置③只能加速熱力學(xué)上可能的反應(yīng)⑤加速正反應(yīng)，也同樣程度的加速逆反應(yīng)，化學(xué)平衡常數(shù)不變4.催化劑組成與功能活性組分助催化劑載體抑制劑(1)活性組分（或主催化劑）催化劑的主要成分，是起催化作用的根本性物質(zhì)。(2)助催化劑

本身對某一反應(yīng)沒有活性或活性很小，但添加少量后能使催化劑具有所期望的活性、選擇性或穩(wěn)定性的物質(zhì)。(3)載體

它可以起增大表面積、提高耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度的作用，有時(shí)還可充當(dāng)助催化劑。(不同之處在于一般載體在催化劑中的含量大于助催化劑)(4)抑制劑能使催化劑的催化活性適當(dāng)調(diào)低。5.催化劑性能與標(biāo)志

好催化劑必備的幾個(gè)性質(zhì)：高活性、合理的流體流動性質(zhì)、長壽命。活性選擇性(1)活性

催化劑改變反應(yīng)速度的能力(即加快反應(yīng)速率的程度，或降低反應(yīng)溫度)。①比活性

單位表面積上的反應(yīng)速率，催化劑的表面積越大，催化活性越高。②轉(zhuǎn)化率

轉(zhuǎn)化率高則催化活性高，轉(zhuǎn)化率低則催化活性低。③空時(shí)收率

單位時(shí)間內(nèi)單位催化劑（單位體積或單位質(zhì)量）上生成目的產(chǎn)物的數(shù)量(2)選擇性催化劑促使反應(yīng)向所要求的方向進(jìn)行而得到目的產(chǎn)物的能力。(3)使用壽命催化劑在反應(yīng)條件下具有活性的使用時(shí)間，或活性下降經(jīng)再生而又恢復(fù)的累計(jì)使用時(shí)間催化劑壽命愈長，使用價(jià)值愈大①成熟期②穩(wěn)定期③衰老期(4)機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性

機(jī)械強(qiáng)度是催化劑活性、選擇性和使用壽命之后的又一個(gè)評價(jià)催化劑質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)eg:流化床反應(yīng)器中催化劑易破碎(5)其它物理性狀①形狀與尺寸②比表面積每克催化劑所具有的表面積。記為Sg,單位m2/g③孔容積每克催化劑中孔隙的容積。記為Vg,單位mL/g④孔徑分布/平均孔徑/然孔徑

不同孔徑范圍內(nèi)的孔所占孔容的分率⑤孔隙率θ催化劑顆?？紫扼w積與催化劑顆?？傮w積之比。⑥空隙率ε催化劑床層的空隙體積與催化劑床層的總體積之比。⑨堆積密度又稱填充密度，即當(dāng)催化劑自由地填入反應(yīng)器中時(shí)，每單位體積反應(yīng)器中催化劑的質(zhì)量。

這些性質(zhì)都直接或間接的對催化劑產(chǎn)生影響，所以在催化劑的設(shè)計(jì)、制造和使用中都應(yīng)給以充分的考慮。⑦真密度又稱骨架密度，即催化劑顆粒中固體實(shí)體的密度。⑧表觀密度又稱假密度或顆粒密度，即包括催化劑顆粒中孔隙容積時(shí)，該顆粒的密度。（二）工業(yè)催化劑的制備(1)

沉淀法(2)

浸漬法(3)

混合法(4)

熔融法(5)離子交換法(6)

新進(jìn)展：納米技術(shù)、氣相沉淀技術(shù)、膜催化劑、微乳化技術(shù)、化學(xué)鍍1.催化劑制備方法：2.催化劑成型：(1)破碎(2)擠條(3)壓片(4)造球（三）催化劑的使用4催化劑失活與再生

1催化劑儲存、搬運(yùn)、填裝2催化劑升溫還原

3開停車及催化劑鈍化

催化劑的壽命長短及其作用的發(fā)揮和使用方法密切相關(guān)。正確的使用方法，不僅可以保證催化作用的正常發(fā)揮，而且可以延長催化劑的使用壽命，使反應(yīng)裝置達(dá)到應(yīng)有的生產(chǎn)能力。P160-1681、催化劑填裝案例：甲烷化催化劑(J108－2Q鎳催化劑)的裝填仔細(xì)檢查反應(yīng)器，清除一切雜物甲烷化催化劑在裝填之前應(yīng)過篩裝填時(shí)采用布袋作為引流管，保證催化劑自由下落高度不大于0.5米記錄好裝填催化劑的重量、體積、批號，裝填高度以及熱電偶對應(yīng)位置催化劑在運(yùn)輸過程中會出現(xiàn)粉塵和碎片催化劑裝填漏斗2、催化劑活化——升溫還原催化劑裝填好就能使用嗎？催化劑不僅能加速反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)極易與環(huán)境中的物質(zhì)反應(yīng)而失活，所以催化劑成品通常處理為鈍化狀態(tài)。催化使用前，需活化；停車時(shí)，需進(jìn)行鈍化處理?；罨绞竭€原硫化氧化活化還原活化V2O4→V2O5Pt催化劑Co-Mo催化劑裝填結(jié)束后，對系統(tǒng)進(jìn)行吹掃升溫升壓還原在開車和操作過程中注意控制爐內(nèi)壓力的升、降速度在0.2MPa/min以內(nèi)；溫度上升也要均勻，每升溫一段時(shí)間就要恒溫一段時(shí)間，使床層徑向溫度均勻分布。催化劑的升溫還原3、催化劑卸出——鈍化蒸汽吹掃床層降溫到200℃采用含少量氧的氮?dú)饣蛩魵怏w使催化劑緩慢氧化打開卸料口，卸出催化劑催化劑的卸出采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w將床層降到常溫許多催化劑使用后在停工卸除之前，需要進(jìn)行鈍化處理。4、催化劑失活與再生催化劑失活燒結(jié)污損中毒選擇性，部分可逆無選擇性（結(jié)焦、沉積）不可逆流失不可逆催化劑中毒暫時(shí)性中毒永久性中毒化學(xué)處理無反應(yīng)物且引入其它氣氛雜質(zhì)與活性組份發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或沉積作用雜質(zhì)在活性中心上吸附較弱5、催化劑使用其他注意事項(xiàng)①原料氣體的凈化：原料中的有毒物質(zhì)可使催化劑喪失活性，常見的各種催化劑毒物見下圖。為保證催化劑的活性不受影響，原料氣在進(jìn)入催化劑層前必須經(jīng)嚴(yán)格的凈化處理。②嚴(yán)格按照工藝條件操作維持溫度、壓力、物料配比、流量等參數(shù)的穩(wěn)定，盡量減少因操作不當(dāng)造成的參數(shù)波動。尤其是耍防止超過催化劑允許使用的正常溫度范圍。否則將影響催化作用的正常發(fā)揮，嚴(yán)重的還會燒