催化剂的性能及使用

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1、第第3 3章章 催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用3.1 3.1 催化剂的基本特征催化剂的基本特征3.2 3.2 催化剂的分类催化剂的分类3.3 3.3 工业催化剂使用中的有关问题工业催化剂使用中的有关问题 3.3.1 3.3.1 工业催化剂的使用性能工业催化剂的使用性能 3.3.2 3.3.2 催化剂的活化催化剂的活化 3.3.3 3.3.3 催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 3.3.4 3.3.4 运输、贮存和装卸运输、贮存和装卸据统计，当今据统计，当今9090的化学工业中均包含有催化的化学工业中均包含有催化(catalysis)(catalysis)过程，催化过程，催化剂剂(cat

2、alyst)(catalyst)在化上生产中占有相当重要的地位，其作用主要体现在化上生产中占有相当重要的地位，其作用主要体现在以下几方面。在以下几方面。1.1.提高反应速率和选择性提高反应速率和选择性 2.2.改进操作条件改进操作条件 3.3.催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术 4.4.催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用 借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、质量借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、质量 更好的二次能源；更好的二次能源；在清除污染物的诸方法中，催化法是具有巨

3、大潜力的一种。在清除污染物的诸方法中，催化法是具有巨大潜力的一种。3.1 3.1 催化剂的基本特征催化剂的基本特征催化剂：催化剂：在一个反应系统中因加入了某种物质而使在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速化学反应速率明显加快率明显加快，但该物质在，但该物质在反应前后反应前后的数量和化学性质的数量和化学性质不变不变。催化剂的作用：催化剂的作用：能与反应物生成能与反应物生成不稳定中间化合物不稳定中间化合物，改变了反，改变了反应途径，应途径，活化能得以降低活化能得以降低。自催化作用：自催化作用：有些反应所产生的有些反应所产生的某种产物某种产物也会使反应迅速加快。也会使反应迅速加快。负催化剂或

4、阻化剂：负催化剂或阻化剂：能明显降低反应速率的物质。能明显降低反应速率的物质。催化剂的三个基本特征：催化剂的三个基本特征：催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和 数量的变化；数量的变化；催化剂只能缩短达到化学平衡的时间催化剂只能缩短达到化学平衡的时间(即加速作用即加速作用)，但不能改变平衡；，但不能改变平衡；催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。3.2 3.2 催化剂的分类催化剂的分类 催化剂催化剂=活性组分活性组分+助催化剂助催化剂+

5、载体载体3.2.1 3.2.1 活性组分活性组分按催化反应体系的按催化反应体系的物相均一性物相均一性分：分：均相催化剂和非均相催化剂均相催化剂和非均相催化剂(固体催化剂固体催化剂)；按按反应类别反应类别分：分：加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基基 化、卤化等众多催化剂；化、卤化等众多催化剂；按按反应机理反应机理分：分：氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；按使用条件下的按使用条件下的物态物态分：分：1.1.固体催化剂固体催化剂：金属催化剂、氧化物催化剂和硫化物催化剂等；：金属催

6、化剂、氧化物催化剂和硫化物催化剂等；2.2.液态催化剂液态催化剂：均相络合物催化剂；：均相络合物催化剂；以过渡金属如以过渡金属如TiTi、V V、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi、MoMo、WW、AgAg、PdPd、PtPt、RuRu、RhRh等为中心原子，通过等为中心原子，通过共价键共价键或或配位键配位键与各种配位体构成络合物，过渡金属与各种配位体构成络合物，过渡金属价态的可变性及其与不同性质配位体的结合，给出了多种多样的催化功能。价态的可变性及其与不同性质配位体的结合，给出了多种多样的催化功能。提高固体催化剂中活性表面的最有效提高固体催化剂中活性表面的最有效的办法是采用大比表面积的载

7、体，的办法是采用大比表面积的载体，优点：优点：以分子态均匀地分布在液相反应体系中，催化效率很高。以分子态均匀地分布在液相反应体系中，催化效率很高。在溶液中每个催化剂分子都是具有同等性质的活性单位，因而只能在溶液中每个催化剂分子都是具有同等性质的活性单位，因而只能 催化特定反应，故选择性很高。催化特定反应，故选择性很高。缺点：缺点：催化剂与产物的分离较复杂，价格较昂贵。催化剂与产物的分离较复杂，价格较昂贵。3.3.酸催化剂比碱催化剂应用广泛；酸催化剂比碱催化剂应用广泛；4.4.工业用工业用生物催化剂生物催化剂：活细胞和游离或固定的酶的总称。：活细胞和游离或固定的酶的总称。优点：优点：具有能在常温

8、常压下反应、具有能在常温常压下反应、反应速率快反应速率快、催化作用、催化作用专一专一（选择性高）。（选择性高）。缺点：缺点：不耐热不耐热、易受某些化学物质及杂菌的破坏而、易受某些化学物质及杂菌的破坏而失活失活，稳定性差稳定性差、寿命短寿命短、对温度和对温度和pHpH值范围要求苛刻，酶催化剂的价格较昂贵。值范围要求苛刻，酶催化剂的价格较昂贵。3.2.2 3.2.2 助催化剂（促进剂）：助催化剂（促进剂）：作用：作用：提高活性或改善诸如机械强度、活性组分分散度、抗碳、提高活性或改善诸如机械强度、活性组分分散度、抗碳、抗烧结、抗水合等性能。抗烧结、抗水合等性能。3.2.3 3.2.3 载体载体特点：

9、特点：大比表面积，应具有足够的机械强度，使催化剂在储存、大比表面积，应具有足够的机械强度，使催化剂在储存、运输、装卸和使用中不易破碎或粉化。运输、装卸和使用中不易破碎或粉化。3.3 3.3 工业催化剂使用中的有关问题工业催化剂使用中的有关问题 3.3.1 3.3.1 工业催化剂的使用性能工业催化剂的使用性能 3.3.2 3.3.2 催化剂的活化催化剂的活化 3.3.3 3.3.3 催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 3.3.4 3.3.4 运输、贮存和装卸运输、贮存和装卸 3.3.1 3.3.1 工业催化剂的使用性能工业催化剂的使用性能活性：活性：在给定的温度、压力和反应物流量在给定的温度、

10、压力和反应物流量(或空间速度或空间速度)下，催化下，催化剂使原料转化的能力。剂使原料转化的能力。选择性：选择性：指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。当催化剂的活性与选择性难以两全其美时，当催化剂的活性与选择性难以两全其美时，若反应原料昂贵或产物分离很困难，宜选用选择性高的催化剂；若反应原料昂贵或产物分离很困难，宜选用选择性高的催化剂；若原料价廉易得或产物易分离，则可选用活性高的催化剂若原料价廉易得或产物易分离，则可选用活性高的催化剂。寿命：寿命：其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗的

11、催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。时间长短。催化剂的寿命受以下几方面性能影响催化剂的寿命受以下几方面性能影响:化学稳定性：化学稳定性：催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生变化的难易。变化的难易。热稳定性：热稳定性：指催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。指催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。机械稳定性：机械稳定性：指固体催化剂在反应条件下的强度是否足够。指固体催化剂在反应条件下的强度是否足够。耐毒性：耐毒性：指催化制对有指催化制对有毒物质毒物质的抵抗力或耐受力。的抵抗

12、力或耐受力。多数催化剂容易受到一些物质的毒害，中毒后的催化剂活性和多数催化剂容易受到一些物质的毒害，中毒后的催化剂活性和选择性显著降低或完全失去，缩短了它的使用寿命。选择性显著降低或完全失去，缩短了它的使用寿命。不同催化剂的毒物是不同的，常见的毒物有不同催化剂的毒物是不同的，常见的毒物有砷、硫、氯的化合砷、硫、氯的化合物物及铅等及铅等重金属重金属。在有些反应中，特意加入某种物质去毒害催化剂中促进副反应在有些反应中，特意加入某种物质去毒害催化剂中促进副反应的活性中心，从而提高了选择性。的活性中心，从而提高了选择性。除了应研制具有优良性能、长寿命的催化剂外，在生产中必须正除了应研制具有优良性能、长

13、寿命的催化剂外，在生产中必须正确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。3.3.2 3.3.2 催化剂的活化催化剂的活化 每种活化方法均自各自的每种活化方法均自各自的活化条件活化条件和和操作要求操作要求，应该严格按照，应该严格按照操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。如果活化操作失误，轻则使催化剂性能下降，重则使催化剂报如果活化操作失误，轻则使催化剂性能下降，重则使催化剂报废，经济损失巨大。废，经济损失巨大。固体催化剂在出售时的固体催化剂在出售时的状态一般是状态一般是较稳定的较稳定的，活性的状态活性的状

14、态方法方法还原、氧化、硫化、还原、氧化、硫化、酸化、热处理等酸化、热处理等3.3.3 3.3.3 催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生1.1.失活的原因：失活的原因：络合催化剂：络合催化剂：主要是主要是超温超温，大多数配合物在，大多数配合物在250250以上就分解而以上就分解而失活；失活；生物催化剂：生物催化剂：过热过热、化学物质和杂菌的、化学物质和杂菌的污染污染、pHpH值失调值失调等均是等均是失活的原因；失活的原因；固体催化剂固体催化剂：超温过热超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；原料气中混有毒物杂质，使原料气中混有毒物杂质，使催

15、化剂中毒催化剂中毒；有有污垢覆盖污垢覆盖催化剂表面；催化剂表面；有烃类或其他含碳化合物参加的反应往往易析碳，催化剂酸性过强或催化有烃类或其他含碳化合物参加的反应往往易析碳，催化剂酸性过强或催化 活性较低时析碳严重，发生活性较低时析碳严重，发生积碳或结焦，覆盖催化剂活性中心积碳或结焦，覆盖催化剂活性中心，导致失活。，导致失活。2.2.失活类型：失活类型：催化剂中毒有催化剂中毒有暂时性暂时性和和永久性永久性两种情况。两种情况。暂时性中毒暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性；是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性；永久性中毒永久性中毒则是不可逆的。则是不可逆的。3

16、.3.采取措施：采取措施：严格控制操作条件，采用严格控制操作条件，采用结构合理的反应器结构合理的反应器；使反应温度在催化剂最佳使用使反应温度在催化剂最佳使用温度温度范围内范围内合理地分布合理地分布，防止超温；，防止超温；反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除，使反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除，使毒物含量低于毒物含量低于催化剂耐受值催化剂耐受值以下；以下；在有析碳反应的体系中，应采用有利于在有析碳反应的体系中，应采用有利于防止析碳防止析碳的反应条件，并选用抗碳的反应条件，并选用抗碳性能高的催化剂。性能高的催化剂。3.3.4 3.3.4 运输、贮存和装卸运输、贮存和装卸 催化剂一般价格较贵，要

17、注意保护。催化剂一般价格较贵，要注意保护。在运输和贮藏中应防止其受污染和破坏；在运输和贮藏中应防止其受污染和破坏；固体催化剂在装填于反应器中时，要防止污染和破裂。固体催化剂在装填于反应器中时，要防止污染和破裂。装填要均匀，避免出现装填要均匀，避免出现“架桥架桥”现象现象，以防止反应工况恶化。，以防止反应工况恶化。许多催化剂使用后在停工卸出之前，需要进行许多催化剂使用后在停工卸出之前，需要进行钝化处理钝化处理。尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后，才能暴露于空气，尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后，才能暴露于空气，否则遇空气剧烈氧化自燃，烧坏催化剂和设备。否则遇空气剧烈氧化自燃，烧坏催化剂和设备。