催化剂性能的评价PPT学习教案

1、会计学1催化剂性能的评价催化剂性能的评价学习目标第1页/共79页补充解释评价：评价：指对催化剂化学性质的考察和定量描述；指对催化剂化学性质的考察和定量描述；测试：测试：一般侧重于对工业催化剂一般侧重于对工业催化剂物理性质物理性质的测定的测定；(宏观的、微观的宏观的、微观的)第2页/共79页一般而言，衡量一个工业催化剂的质量与一般而言，衡量一个工业催化剂的质量与效率，集中起来是效率，集中起来是活性活性、选择性、选择性和和使用寿命使用寿命这三项综合指标。这三项综合指标。第3页/共79页选择性选择性用来衡量催化剂用来衡量催化剂抑制副反应能力抑制副反应能力的大小。的大小。这是有机催化反应中一个尤其值得

2、注意的性能指标。这是有机催化反应中一个尤其值得注意的性能指标。第4页/共79页机械强度机械强度即催化剂抗拒外力作用而不致发生破坏的能力。即催化剂抗拒外力作用而不致发生破坏的能力。强度是任何固体催化剂的一项主要性能指标，强度是任何固体催化剂的一项主要性能指标，它也是催化剂其他性能赖以发挥的基础。它也是催化剂其他性能赖以发挥的基础。单程寿命总寿命总寿命第5页/共79页反应系统是封闭的，反应系统是封闭的，供料不连续供料不连续反应系统是开放的，反应系统是开放的，供料连续或半连续供料连续或半连续催化剂评价方法本质上是对工催化剂评价方法本质上是对工业催化反应的模拟业催化反应的模拟。而由于工。而由于工业生产

3、中的催化反应多为连续业生产中的催化反应多为连续流动系统，所以流动系统，所以一般流动法应一般流动法应用最广。用最广。第6页/共79页8粒子间，堆积形成的孔隙与粒子间，堆积形成的孔隙与晶粒内和晶粒间微孔，构成晶粒内和晶粒间微孔，构成该粒团的孔系结构该粒团的孔系结构(图图3-5)。若干颗粒又可堆积成球、条若干颗粒又可堆积成球、条、锭片、微球粉体等不同几、锭片、微球粉体等不同几何外形的颗粒集合体，即粒何外形的颗粒集合体，即粒团团(Pelet)。晶粒和颗粒间连晶粒和颗粒间连接方式、接触点键合力以及接方式、接触点键合力以及接触配位数等则决定了粒团接触配位数等则决定了粒团的抗破碎和磨损性能的抗破碎和磨损性能

4、。第7页/共79页子是晶粒或两次粒子，它们的尺寸子是晶粒或两次粒子，它们的尺寸符合颗粒度的正常定义。均匀球形符合颗粒度的正常定义。均匀球形颗粒的粒径就是球直径，非球形不颗粒的粒径就是球直径，非球形不规则颗粒粒径用各种测量技术测得规则颗粒粒径用各种测量技术测得的的“等效球直径等效球直径”表示，成型后粒表示，成型后粒团的非球不规则粒径用团的非球不规则粒径用“当量直径当量直径”表示表示9第8页/共79页10逐渐增大的粒径分级逐渐增大的粒径分级(粒级粒级)，由它们与对应尺寸颗粒，由它们与对应尺寸颗粒出现的频率作图而得出现的频率作图而得(图图3-16)，频率的内容可表示为频率的内容可表示为颗粒数目、质量

5、、面积或颗粒数目、质量、面积或体积等等体积等等。当测量的颗粒。当测量的颗粒数足够多数足够多(例如例如500粒或更粒或更多多)时，可以用统计的数学时，可以用统计的数学方程表达粒径分布。方程表达粒径分布。第9页/共79页撞击；第三，催化剂必须具有足够撞击；第三，催化剂必须具有足够的内聚力，不致当使用时由于反应的内聚力，不致当使用时由于反应介质的作用，发生化学变化而破碎；介质的作用，发生化学变化而破碎；第四，催化剂还必须承受气流在床第四，催化剂还必须承受气流在床层的压力降、催化剂床层的重量，层的压力降、催化剂床层的重量，以及因床层和反应器的热胀冷缩所以及因床层和反应器的热胀冷缩所引起的相对位移等的作

6、用引起的相对位移等的作用等。等。11第10页/共79页化剂压碎强度化剂压碎强度。大粒径催化剂或载。大粒径催化剂或载体，如拉西环，直径大于体，如拉西环，直径大于1cm的锭的锭片，可以使用单粒测试方法，以平片，可以使用单粒测试方法，以平均值表示。小粒径催化剂，最好使均值表示。小粒径催化剂，最好使用堆积强度仪，测定堆积一定体积用堆积强度仪，测定堆积一定体积的催化剂样品在顶部受压下碎裂的的催化剂样品在顶部受压下碎裂的程度。程度。12第11页/共79页证在额定压力范围内均匀施压。国证在额定压力范围内均匀施压。国外通用试验机，按此原理要求由可外通用试验机，按此原理要求由可垂直移动的平面顶板与液压机组合垂直

7、移动的平面顶板与液压机组合而成。我国催化剂抗压碎强度设备而成。我国催化剂抗压碎强度设备普遍使用普遍使用1983年原化工部颁布的化年原化工部颁布的化肥催化剂抗压碎强度测定方法使用肥催化剂抗压碎强度测定方法使用的强度仪，原则上特合上述的强度仪，原则上特合上述ASTM抗压原理抗压原理13第12页/共79页14使用条件不同，难于以一种通用指使用条件不同，难于以一种通用指标表征催化剂普遍适用的机械性能，标表征催化剂普遍适用的机械性能，这是固体催化剂材料与金属或高分这是固体催化剂材料与金属或高分子材料等不同之处。子材料等不同之处。催化剂的机械强度是固体催化催化剂的机械强度是固体催化剂一项重要的性能指标。剂

8、一项重要的性能指标。第13页/共79页400 理理3小时以上，沸石催化剂则需经小时以上，沸石催化剂则需经450-500处理处理(特别样品另定特别样品另定)，放，放入干燥器冷却至环境温度后立即测入干燥器冷却至环境温度后立即测定；匀速施压定；匀速施压。15第14页/共79页16美国美国“ASTM D32委员会委员会”正在试验一种正在试验一种单轴活塞向催化剂床层单轴活塞向催化剂床层一端施压一端施压(图图3-19)的方的方法，样品经法，样品经400熔烧熔烧3h后，以后，以s负荷施压负荷施压到试验压力下，恒定到试验压力下，恒定60s。数据以固定压强。数据以固定压强下细粉量或生成一定细下细粉量或生成一定细

9、粉量需要的压强给出粉量需要的压强给出第15页/共79页17第16页/共79页。18第17页/共79页等等。法测单一比表面法测单一比表面经典的经典的BET法，基于理想吸附法，基于理想吸附（或称兰格缪尔吸附）的物理模型（或称兰格缪尔吸附）的物理模型。假定固体表面上各个吸附位置从假定固体表面上各个吸附位置从19第18页/共79页为了颗粒表面吸附科学的理论基础，为了颗粒表面吸附科学的理论基础，并被广泛应用于颗粒表面吸附性能并被广泛应用于颗粒表面吸附性能研究及相关检测仪器的数据处理中。研究及相关检测仪器的数据处理中。比表面积是指每克物质中所有颗粒比表面积是指每克物质中所有颗粒总外表面积之和，国际单位是：

10、总外表面积之和，国际单位是：m m2 2/g /g ，比表面积是衡量物质特性，比表面积是衡量物质特性的的20第19页/共79页比法的检测，现在国内也被淘汰了。比法的检测，现在国内也被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用目前国内外比表面积测试统一采用多点多点BETBET法，国内外制定出来的比法，国内外制定出来的比表面积测定标准都是以表面积测定标准都是以BETBET测试方测试方法为基础的，请参看我国国家标准法为基础的，请参看我国国家标准（GB/T 19587-2004GB/T 19587-2004）- -气体吸附气体吸附BETBET原理测定固态物质比表面积的原理测定固态物质比表面积的方法。比表面

11、积检测其实是比较耗方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力费时间的工作，由于样品吸附能力的不同的不同21第20页/共79页器（兼备直接对比法），更重要北器（兼备直接对比法），更重要北京金埃谱科技有限公司的京金埃谱科技有限公司的F-Sorb F-Sorb 24002400比表面积分析仪是迄今为止国比表面积分析仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。少人为误差，提高测试结果精确性。22第21页/

12、共79页400和真空度不低于下进行。在保和真空度不低于下进行。在保证催化剂的结构不发生破坏的条件证催化剂的结构不发生破坏的条件下，脱气温度可以高些，当脱气操下，脱气温度可以高些，当脱气操作完成后，将系统抽至高真空，通作完成后，将系统抽至高真空，通常在真空度高于下，保持足够长时常在真空度高于下，保持足够长时间。然后进行吸附操作间。然后进行吸附操作23第22页/共79页24第23页/共79页后的伸长直接测量后的伸长直接测量出气体量。石英弹出气体量。石英弹簧秤要预先校正。簧秤要预先校正。除测定吸附量外，除测定吸附量外，其他操作手续与容其他操作手续与容量法一致。通常用量法一致。通常用于比表而大于于比表

13、而大于50m2样品的测定。样品的测定。25第24页/共79页2被测固体间无化学反应的物质被测固体间无化学反应的物质，如，如C6H6、CCl4、CH30H等。实验装等。实验装置如图置如图3-23。26第25页/共79页27第26页/共79页在进行化学吸附之前，催化剂在进行化学吸附之前，催化剂样品要经过升温脱气处理。处理的样品要经过升温脱气处理。处理的目的是将催化剂表面上吸附的气体目的是将催化剂表面上吸附的气体除去，以获得清洁的铂表面。脱气除去，以获得清洁的铂表面。脱气处理在加热和抽真空的条件下进行。处理在加热和抽真空的条件下进行。温度和真空度愈高，脱气愈完全。温度和真空度愈高，脱气愈完全。但温度

14、不能过高，以免铂晶粒被烧但温度不能过高，以免铂晶粒被烧结。结。28第27页/共79页23附氧，然后再吸附氢。氢和吸附的附氧，然后再吸附氢。氢和吸附的氧化合生成水，生成的水被吸收。氧化合生成水，生成的水被吸收。由消耗的氢量，进而依由消耗的氢量，进而依O/Pt =1算算出铂的表面积。出铂的表面积。29第28页/共79页由于催化剂的孔结构是其化学组成、由于催化剂的孔结构是其化学组成、晶体组成的综合反映，而实际的孔晶体组成的综合反映，而实际的孔结构又相当复杂，所以有关的计算结构又相当复杂，所以有关的计算十分困难。十分困难。用以措述催化剂孔结构用以措述催化剂孔结构的特性指标有许多项目，其中最常的特性指标

15、有许多项目，其中最常用的有密度、孔容积、孔隙率、平用的有密度、孔容积、孔隙率、平均孔半径和孔径分布等均孔半径和孔径分布等。30第29页/共79页存在空隙体积，所以，堆积催化剂存在空隙体积，所以，堆积催化剂的体积应当是：堆积体积的体积应当是：堆积体积=骨架体骨架体积积+内孔体积内孔体积+空隙体积空隙体积催化剂的密度通常分为三种，催化剂的密度通常分为三种，即堆密度、颗粒密度和真密度即堆密度、颗粒密度和真密度31第30页/共79页32第31页/共79页催化剂的活性，是表示催化剂催化剂的活性，是表示催化剂加快化学反应速率程度的一种度量加快化学反应速率程度的一种度量。第32页/共79页%100molAm

16、olA）起始的物质的量（反应物）已转化的物质的量（反应物AX采用这种（转化率）参数时，必须注明反应采用这种（转化率）参数时，必须注明反应物料与催化剂的接触时间物料与催化剂的接触时间强调第33页/共79页35FV工业实践相关参数在流动体系中，物料的流速在流动体系中，物料的流速(单位时间的体积或质量单位时间的体积或质量)除以催化剂的体积就是体积空速或质量除以催化剂的体积就是体积空速或质量空速空速，单位为单位为s-1空速的倒数为反应物料与催化剂接触的平均时间，空速的倒数为反应物料与催化剂接触的平均时间，单位为秒单位为秒(s)空时1.空速空速第34页/共79页2.时空得率时空得率时空得率为每小时、每升

17、催化剂所得产物的量。时空得率为每小时、每升催化剂所得产物的量。上述一些量都与反应条件有关，上述一些量都与反应条件有关，所以必须同时注明。所以必须同时注明。 第35页/共79页37%100物的物质的量已转化的某一关键反应量所得目的产物的物质的S3.选择性选择性第36页/共79页38%100总量原料中对应该类物质的质的总量产物中某一类指定的物R4.收率收率第37页/共79页%100起始反应物的物质的量量生成目的产物的物质的YXSY 5.单程收率单程收率第38页/共79页40（二）动力学研究的意义和作用（二）动力学研究的意义和作用第39页/共79页41第40页/共79页化学动力学是研究一个化学物种转

18、化化学动力学是研究一个化学物种转化为另一个化学物种的速率和机理的分支学科为另一个化学物种的速率和机理的分支学科。第41页/共79页把包括吸附、脱附、物理传输和化学变化把包括吸附、脱附、物理传输和化学变化步骤在内的序列关系称作步骤在内的序列关系称作“机理机理”第42页/共79页44多相催化机理第43页/共79页45第44页/共79页46（三）预实验（三）预实验用流动法测定催化剂的活性，首先必须考虑到气体用流动法测定催化剂的活性，首先必须考虑到气体在反应器中的流动状况和扩散效应，在反应器中的流动状况和扩散效应，才能得到活性和动力学数据的正确数值。才能得到活性和动力学数据的正确数值。关键问题在于确定

19、最适宜的催化剂关键问题在于确定最适宜的催化剂粒径和最适宜的气体流速这两项基粒径和最适宜的气体流速这两项基本数据本数据。第45页/共79页47。时，可以消除管壁效应，当12126dgdrdgdr流动法测定催化剂活性的原则和方法流动法测定催化剂活性的原则和方法可将宏观因素对测定活性和对研究动力学的影响可将宏观因素对测定活性和对研究动力学的影响减小到最低限度。减小到最低限度。第46页/共79页48在另一方面，对热效应不很小的反应，当在另一方面，对热效应不很小的反应，当时，给床层的散热带来困难，因为催化剂床层时，给床层的散热带来困难，因为催化剂床层横截面中心与其径向之间的温度差由下式决定：横截面中心与

20、其径向之间的温度差由下式决定：12dgdr第47页/共79页当为了消除内扩散对反应的影响而降低粒径时，当为了消除内扩散对反应的影响而降低粒径时，则又增强了温差升高的因素。另一方面，则又增强了温差升高的因素。另一方面，温度差随反应器直径的增加而迅速升高温度差随反应器直径的增加而迅速升高。第48页/共79页50根据大量实践经验，一般要求沿反应管根据大量实践经验，一般要求沿反应管横截面能并排安放横截面能并排安放6-12粒催化剂微粒，粒催化剂微粒，催化剂层高度应超过直径倍。催化剂层高度应超过直径倍。第49页/共79页排除内扩散影响要继续威小颖粒度，直至反应速度不变。要继续威小颖粒度，直至反应速度不变。

21、若无内扩散控制，其反应速度将保持不变。若无内扩散控制，其反应速度将保持不变。否则第50页/共79页52例子第51页/共79页消除外扩散影响必要时应进行空白试验以必要时应进行空白试验以排除反应器材质对试验的干扰。排除反应器材质对试验的干扰。第52页/共79页54第53页/共79页55粒子间，堆积形成的孔隙与粒子间，堆积形成的孔隙与晶粒内和晶粒间微孔，构成晶粒内和晶粒间微孔，构成该粒团的孔系结构该粒团的孔系结构(图图3-5)。若干颗粒又可堆积成球、条、若干颗粒又可堆积成球、条、锭片、微球粉体等不同几何锭片、微球粉体等不同几何外形的颗粒集合体，即粒团外形的颗粒集合体，即粒团(Pelet)。晶粒和颗粒间连接晶粒和颗粒间连接方式、接触点键合力以及接方式、接