第3章催化剂性能的评价、测试和表征-1、2.ppt

第一节概述第二节活性评价与动力学研究第三节催化剂的宏观物性及其测定第四节催化剂的微观性质的测定与特征、第三章催化剂性能的评价与特征、第一节概述、催化剂的制造、催化剂性能的评价、测试、筛选、比较、基准、活性、选择性、寿命、机械强度、毒性、几何物理性质、 宏观和微观物理结构，经济性能，第二节活性评价和动力学研究，目的，(1)催化剂厂家和用户进行的常规质量控制检测。 (2)快速筛选大量催化剂，为特定反应决定催化剂评价的优劣。 (3)更详细地比较一些催化剂可能导致最接近工业应用条件下的测试。 (4)测定某些反应的机理可能与标记分子和高级分析设备的使用有关。 (5)测定与特定催化剂反应的详细动力学(包括失活、再生的动力学)。 模拟工业反应条件下催化剂的连续长期运行。 流动法：反应体系开放，供应连续或半连续。 (应用最广泛的)固定床催化剂测定常用流动法、流动循环法(无梯度法)、催化色谱静态法：反应体系封闭，供应不连续。 1、活性的测定和表示方法，基本概念： (1)比率：体积比率=，质量比率=，面积比率=，(2)转化率XA=，(3)空速：材料的流速为催化剂的体积。 (S-1 )、(4)空时：空速倒数。 (5)空时收率(STY):小时，每升催化剂的生成物量。 (6)选择性： s=(7)收率r=(8)单程收率Y=，单程收率有时也称为收率，转化率与选择性的关系： (2)动力学研究的意义和作用、动力学、催化剂、催化动力学研究已经成为催化科学和催化工程的最重要组成部分之一。 催化动力学研究目标：为催化反应提供了数学模型，阐明了催化反应的机理。 了解工业催化剂发生的主要反应和副反应的动力学特征，为发挥催化剂的改善和潜力提供必要的信息。 反映了温度、空速、压力等对反应速度、转化率和选择性的影响规律，为催化剂的设计和催化反应器的设计提供了科学依据。 化学动力学需要在化学变化的速度和机理、机理、反应中各要素步骤发生的序列、逐步化学键的质变和量的动力、多相催化反应、化学物种接近催化剂后经历一系列物理和化学要素步骤。 历史：化学物种经历的化学变化的基本步骤的排列机制：包括吸附、解吸、物理输送和化学变化的步骤的排列关系， 孔起始原料通过边界层扩散到催化剂表面，起始原料扩散(孔扩散)到孔中孔内面反应物的吸附催化剂表面上的化学反应催化剂表面产物的解吸通过孔产物的扩散脱离催化剂通过边界层扩散到气相的产物中，膜扩散层，图3-1多相催化剂反应的机理的示意图，催化剂，3，实验室反应器，实验室活性试验反应任何系统都非常理想。 选择实验室反应器的最佳类型主要取决于反应体系的物理性质、反应速度、热性质、过程条件、所需信息类型和可用资金。 目的：研究不是生产，而是有更高的要求。 求出本征动力学参数和物理传递参数。 (解耦)实验室反应器是催化评价和动力学测定装置核心实验室反应器的设计要求：1.恒温2 .滞留时间均匀性3 .生成物取样和分析是否容易，积分反应器：微管式固定床反应器中足够量的催化剂(数十至数百毫升)达到了高转化率。进出口材料组成差异大的催化剂床层的首尾两端的反应速度变化大的温度梯度大的浓度梯度大的转化率为空时的积分结果，管、套管、催化剂、热电偶、管、积分反应器的图像、积分反应器、积分反应器的优点， 工业反应器容易得到催化剂评价结果的分析精度不高的缺点：热效应大，反应床层各处的温度均匀和难以维持一定的反应速度的比较差，积分反应器、恒温、绝热、恒温积分反应器保持恒温的方法：用惰性物质稀释使用减少管径的恒温导热介质的催化剂，绝热积分反应器：直径均匀微分反应器、催化剂床层短，填充量更细，转化率低(5% )，填充催化剂(数十数百毫克)进出口材料的组成差小，可以用其平均值代表全床层的组成，但用某种分析方法决定进出口的浓度差时c/t=dc/dt=r大，求出r对分压、温度的微分数据微分反应器的优点1 .易于达到恒温要求2 .反应器的结构简单，微分反应器的缺点1 .供难配比2 .分析要求精度高、转化率低，因此需要准确、敏锐的分析方法，方法滞后不能保证实验数据的重现性和准确性，积、微分反应器的优点：装置简单、分析容易， 可以直接比较催化剂的活性缺点：催化剂床层存在气流速度、温度和浓度梯度，降低了测量数据的可靠性。 无梯度反应器的优点：在反应速度数据集中直接准确求得积分和微分反应器的优点，消除了缺点。 反应器内的流动接近理想的混合，不必严格限制催化剂粒子与反应器之间的直径比。 可以填充工业用的原粒度催化剂。 是微反应器的发展方向。 无梯度的反应器、外循环式、连续搅拌釜式、内循环式、无外循环式梯度的反应器、反应后的气体通过反应器的外回路循环，连续搅拌釜式反应器通过搅拌使反应器内成为理想的混合物，无内循环式梯度的反应器通过搅拌叶轮的搅拌，力在反应器内部高速循环流动，成为理想的反应器沸腾床催化剂评价装置，色谱-微反应器，4，评价和动力学实验的流程和方法，工业催化剂评价最常用的是管式反应器，原料投入方式，生成物组成分析，催化剂评价试验和动力学实验的异同：催化剂评价试验：在完全相同的操作条件(温度、压力、空速、原料配比)，不同催化剂性能(活性、选择性)的动力学实验：不同操作条件下对特定催化剂(筛选)性能影响的定量关系。 预备实验、反应器中气体的流动状态和扩散效应，可以得到活性和动力学数据。 也就是说，只有排除内外扩散的影响，才能评价催化剂的真性活性和真性动力学。 确定催化剂的粒径和最佳气体流速。 原则与方法：管径与催化剂粒径： dr与dg的关系：612时：消除气流的管壁效应，但向床层散热困难。-催化剂反应速度、mol/(cm3h)-反应热效应、KJ/mol-管径、cm-催化剂生成层的有效传热系数、KJ/(cmh)、q、dr、催化剂床层的横截面中心与其径向的温度差由下式决定，与催化剂粒子的粒径成比例，排除内扩散的影响，降低粒径，但温度差由反应器遗传理论表明，平衡排除外扩散的影响，排除外扩散的影响，增大流体线速度可以提高流体的扰动程度，从而达到排除外扩散影响的目的。 对于固定床反应器，确定排除外扩散影响的临界空速的方法如下。在同一反应器内前后加入不同质量(m1、m2 )的催化剂，在相同温度、压力和供给组成下改变供给摩尔流量FA0，测定该反应器出口的转化率。 如果用XA(m/FA0)绘图的话，如果落在同一条曲线上，如果这种情况下，如图2.2(a )所示，表明不存在外扩散的影响的实验曲线落在不同的曲线上，则在这种情况下，如图2.2(b )所示，外扩散的影响尚未消除，因此需要再次进行实验这表明在高速区域不存在外扩散的影响，即只能消除高流速区域的内外扩散的影响。 排除内扩散的影响，排除图2.3内扩散的影响的方法，排除内扩散的影响的催化剂的外表面和内表面的浓度差是由内扩散阻力引起的。 催化剂的内扩散效率因子是测量内扩散影响程度的尺度。 等温等压条件下，效率因子只是密封系数的函数。 对于给定的催化剂、反应温度、压力、反应混合物的组成，密封系数仅由催化剂粒子的大小唯一决定。 因此，改变粒度进行动力学实验是验证内扩散影响的最有效方法。 图2.3是在规定的