催化过程中应用的几种耦合技术

1、第,14,章,催化过程中应用的几种,耦合技术,一、催化与膜技术的耦合,1.1,引言,膜技术在催化领域中的应用，涉及到膜催化剂、膜反应器和膜,分离技术的适当组合,膜反应器是用膜材料制成反应器,膜催化剂是应用膜式催化剂,膜材料从孔结构可分为致密膜、多孔膜、微孔膜和超微孔膜等,从材质上可分为无机膜（如金属膜、固体电解质、陶瓷膜和玻,璃膜）和有机膜等,膜催化可以打破催化反应过程无法突破的化学平衡问题,1.2,几种重要的无机膜,1,金属合金膜,Pd,合金膜：透氢膜,Ag,合金膜：透氧膜,2,固体电解质膜,选择传送,H,2,和,O,2,的,ZrO,2,ThO,2,CeO,2,膜等；选择传送,F,C,N,S

2、,的新型固体电解质膜；可使,Na,选择性透过的,Al,2,O,3,膜,3,多孔膜,分子透过多孔膜材料的机理与空隙尺寸、温度、压力、膜及透,过分子的性质有关,1,黏滞扩散,泊苏里扩散：膜材料平均孔径大于分子平均自由,程，分子不能分离,2,努森扩散：不同分子可以相对独立地通过空隙,3,表面扩散：一种分子可物理吸附或化学吸附在孔壁上，则,不发生吸附的分子可选择性通过孔隙,4,多层扩散：一种分子同空隙表面有强烈的相互作用而形成,多层吸附，另一种分子可以扩散过去,5,孔隙毛细管凝聚：一种分子在毛细管凝聚，另一种分子不,能扩散，一般发生在空隙非常细和温度相对低的情况,6,分子筛：孔隙十分细，只允许直径小的

3、分子通过,1.3,膜同催化剂的组合类型,1,作为分立的组成部分，把膜与催化剂分开,2,把催化剂装在管状膜反应器中，把具有催化性能的材料制,成膜,3,将具有催化性能的组分负载在膜载体上,1.4,膜催化反应举例,1,催化脱氢反应,1,膜催化芳烃脱氢,Pd-Rh,金属膜催化环己二醇脱氢制苯二,酚，收率,95,且无苯酚生成,2,Pd,膜反应器用于环己烷脱氢制苯，转化率,100,相同条,件下平衡转化率为,18.7,2,膜催化氧化反应,1,Ag,膜用于甲烷氧化偶联生成,C,2,2,利用透氧膜的透过氧离子的性能实现烃的选择氧化,Ba-Sr-Fe-Co-O,复合氧化物膜材料用于甲烷氧化偶联,如,3,硝基苯经氢

4、气还原的反应,可以提高产物苯胺的收率进,100,倍,1.5,膜反应器,1,涉及氢的膜反应器,2,用于氧化反应的膜反应器,二、催化与超临界流体应用的耦合,2.1,临界温度与临界压力,无论用多大压力也不能够让气体液化的临界温度值叫该气体的,临界温度,在临界温度下将气体液化所需的最低压力叫该物质的临界压力,超临界流体是指物质的温度和压力均超过其相应的临界温度和,临界压力时而存在的单相。超临界流体兼有在常规条件存在的,气体和液体的性质,2.2,超临界流体的一些特点,1,超临界流体的性质不同于普通液体和气体，而且可借助改变,温度和压力来调节,2,物质在接近临近点时，其密度和黏度有很大变化,3,超临界流体

5、的溶剂化能力比常规流体小得多,2.3,超临界流体的应用领域,萃取、分离、色谱分析等,由于超临界流体可同气体反应物共同形成单相的混合物，有时,可以使反应避免因传质决定的速控步骤，从而提高反应速率,2.4,超临界技术在催化剂制备方面的应用,1,溶胶,凝胶方法与超临界干燥技术相结合，为制备混合氧化,物或者金属,金属氧化物催化剂提供很好的可行技术,2,利用超临界流体性质在温度和压力变化不大的条件下可以调,节的特点来控制催化材料的颗粒大小和形貌,3,超临界流体在颗粒成型技术中的应用,1,超临界流体迅速膨胀技术,2,超临界反溶剂技术,2.5,超临界流体在多相催化中的应用,1,烷基化反应,应用超临界流体技术

6、进行烷基化反应的结果显示出较液相或气,相反应更高的催化活性及更长的寿命,2,加氢反应,在超临界流体存在的条件下，氢气与超临界流体可以完全互溶,3,氧化反应,超临界水相对于以空气或纯氧为氧化剂的催化氧化反应也十分,有效，尤其在消除废水中污染物时超临界水相有着广泛的应用,在多相催化反应中使用超临界流动相所起的作用可概括为,1,改善流动相的行为，消除气,液和液,液间传质阻力,2,提高由外扩散控制的反应中反应物分子的扩散速率,3,改善传热性能,4,使反应产物较易分离,5,可借调压来调节溶剂性质,6,显示压力对反应速率的影响,7,通过溶剂,溶质（反应物）的相互作用来控制反应的选择性,2.6,超临界流体在均相催化反应中的应用,1,CO,2,加氢,