催化剂基础知识

工艺基础知识1．什么是催化剂？催化作用的特征是什么？答：在化学反应中能改变反应速度而本身的组成和重量在反应前后保持不变的物质叫催化剂。加快反应速度的称正催化剂；减慢的称负催化剂。通常所说的催化剂是指正催化剂。催化作用改变了化学反应的途径。在反应终了，相对于始态，催化剂虽然不发生变化，但却参与了反应，例如形成了活化吸附态，中间产物等，因而使反应所需的活化能降低。催化作用不能改变化学平衡状态，但却能缩短了达到平衡的时间，在可逆反应中能以同样的倍率提高正逆反应的速度。催化剂只能加速在热力学上可能发生的反应，而不能加速热力学上不可能发生的反应。催化作用的选择性。催化剂可使相同的反应物朝不同的方向反应生成不同的产物，但一种催化剂在一定条件下只能加速一种反应。例如一氧化碳和氢气分别使用铜和镍两种催化剂，在相应的条件下分别生成甲醇和甲烷+水。一种新的催化过程，新的催化剂的出现，往往从根本上改变了某种化学加工过程的状况，有力推动工业生产过程的发展，创造出大量财富，在现代的无机化工、有机化工、石油化工和新兴的海洋石油化工工业中这样的例子不胜枚举。在与人类的生存息息相关的诸多方面如资源的充分利用，提高化学加工过程的效率，合成具有特定性能的产品，有效地利用能源，减少和治理环境污染以及在生命科学方面，催化作用具有越来越重大的作用。2．什么是活化能？答：催化过程之所以能加快反应速度，一般来说，是由于催化剂降低了活化能。为什么催化剂能降低活化能呢？关键是反应物分子与催化剂表面原子之间产生了化学吸附，形成了吸附化学键，组成表面络合物，它与原反应物分子相比，由于吸附键的强烈影响，某个键或某几个键被减弱，而使反应活化能降低很多。催化反映中的活化能实质是实现上述化学吸附需要吸收的能量。从一般意义上来说，反应物分子有了较高的能量，才能处于活化状态发生化学反应。这个能量一般远较分子的平均能量为高，两者之间的差值就是活化能。在一定温度下，活化能愈大，反应愈慢，活化能愈小，反应愈快。对于特定的反应物的催化剂而言，反应物分子必须跨过相应的能垒才能实现化学吸附，进而发生化学反应。简言之，在化学反应中使普通分子变成活化分子所须提供的最小能量就是活化能。其单位通常用千卡/克分子或千焦/摩尔表示。3．什么是催化剂活性？活性表示方法有那些？答：衡量一个催化剂的催化效能采用催化活性来表示。催化活性是催化剂对反应速度的影响程度，是判断催化剂效能高低的标准。对于固体催化剂的催化活性，多采用以下几种表示方法：⑴．催化剂的比活性。催化剂比活性常用表面比活性或体积比活性，即所测定的反应速度常数与催化剂表面积活催化剂体积之比表示。⑵．反应速率表示法。反应速率表示法即用单位时间内，反应物或产物的量的摩尔数变化来表示。⑶．工业上常用转化率来表示催化活性。表示方法为：在一定反应条件下，已转化掉反应物的量（n‘A）占进料量（nA0）的百分数，表示式为：xA（转化率）=n‘A/nA0×100%⑷．用每小时每升催化剂所得到的产物重量的数值，即空时得量YV·t来表示活性。YV·t=W（产物重量，kg）/V（催化剂体积，l）·t（反应时间，h）上述⑶、⑷活性表示法，都是生产上常用的，除此之外，还有用在一定反应条件下反应后某一组分的残余量来表示催化剂活性，例如，烃类蒸汽转化反应中用出口残余甲烷量表示。这些方法直观但不确切，因为它们不但和催化剂的化学组成、物理结构、制备的条件有关，并且也和操作条件有关。但由于直观简便，所以工业上经常采用。4．什么是催化剂失活？失活原因有哪些？答：对大多数工业催化剂来说，它的物理性质及化学性质随催化反应的进行发生微小的变化，短期很难觉察，然而，长期运行过程中，这些变化累积起来，造成催化剂活性、选择性的显著下降，这就是催化剂的失活过程。另外，反应物中存在的毒物和杂质，上游工艺带来的粉尘，反应过程中，原料结碳等外部原因也引起催化剂活性和选择性下降。催化剂失活主要是：原料中的毒物，催化剂超温引起热老化，进料比例失调，工艺条件波动以及长期使用过程中由于催化剂的固体结构状态发生变化或遭到破坏而引起的活性、选择性衰减。5．什么是催化剂的选择性？答：当化学反应在热力学上可能有几个反应方向时，一种催化剂在一定条件下只对其中的一个反应起加速作用，这种专门对某一个化学反应起加速作用的性能，称为催化剂的选择性。选择性=消耗于预期生成物的原料量/原料总的转化量催化剂的选择性主要取决于催化剂的组分、结构及催化反应过程中的工艺条件，如压力、温度、介质等。6．催化剂中毒分哪几种？分别叙述。答：催化剂中毒可分为可逆中毒、不可逆中毒和选择中毒。可逆中毒：毒物在活性中心上吸附或化合时，生成的键强度相对较弱，可以采用适当的方法除去毒物，使催化剂活性恢复，而不会影响催化剂的性质，这种中毒称可逆中毒或暂时中毒。不可逆中毒：毒物与催化剂活性组分相互作用形成很强的化学键，难以用一般的方法将毒物除去，使催化剂活性恢复，这种中毒叫不可逆中毒或永久中毒。选择中毒：一个催化剂中毒之后可能失去对某一反应的催化能力，但对别的反应仍具有催化活性，这种现象称为选择中毒。选择中毒有可利用的一面，例如在串联反应中，如果毒物仅使导致后继反应的活性部位中毒，则可使反应停留在中间产物上，获得所希望的高产率的中间产物。7．如何评价催化剂强度的好坏？答：工业固体催化剂的颗粒应有承受以下几种应力而不致破碎的强度。⑴．它必须经得起在搬运包装桶时引起的磨损和撞击，以及催化剂在装填时能承受从一定高度抛下所受的冲击和碰撞。⑵．催化剂必须承受其自身重量以及气流冲击。催化剂的强度用压碎强度和耐磨强度来表示。这一般指的是催化剂的机械强度。许多工业催化剂是以较稳定的氧化态形式出厂，在使用之前要进行还原处理。一般情况下，氧化态的催化剂强度较好，而经过还原之后或在高温、高压和高气流冲刷下长期使用内部结构发生变化而破坏催化剂的强度。为此评价催化剂的强度的好坏，不能只看催化剂的初始机械强度，更重要的是考察催化剂在还原之后，在使用过程中的热态破碎强度和耐磨强度是否能够满足需要。催化剂在使用状态下具有较高的强度才能保证催化剂较长使用寿命。8．什么是催化剂的比表面？简述比表面的重要性。答：单位重量催化剂所具有的表面叫做比表面。单位是m2/g。多相催化反应发生在催化剂表面上，所以催化剂比表面的大小会影响到催化剂活性的高低。但是比表面的大小一般并不与催化剂活性直接成比例，因为第一，我们测得的比表面是催化剂的总表面，具有催化活性的面积（活性表面）只占总面积的一部分，为此催化剂的活性还与活性组分在表面上的分散有关。第二，催化剂的比表面绝大部分是颗粒的内表面，孔结构不同，传质过程也不同，尤其是内扩散控制的反应，孔结构直接与表面利用率有关，为此催化剂的活性还与表面利用率有关。总之，比表面虽不能直接表征催化剂的活性，却能相对反映催化剂活性的高低，是催化剂基本性质之一。9．什么是催化剂的堆积密度？颗粒密度？真密度？答：催化剂的密度可分为以下几种含义不同的密度：⑴。堆积密度，⑵。颗粒密度，⑶。真密度。堆积密度是指单位堆积体积的物质具有的质量数：ρ堆=m/V堆=m/（V隙+V孔+V真）颗粒密度是指单位颗粒体积的物质具有的质量数：ρ颗=m/（V孔+V真）=m/（V堆-V隙）真密度是指单位骨架体积的物质具有的质量数：ρ真=m/V真在工业应用中，一般采用堆积密度即装填密度来表示催化剂的密度。10．催化剂的孔分布、比孔容及对催化反应有什么影响？答：1克催化剂颗粒内部所有孔体积的总和称为比孔容（ml/g）。V～孔=V孔/m=1/ρ颗–1/ρ真孔分布指孔容按孔径大小不同而分布的情况，由此来决定催化剂中所包含大孔、过度孔和细孔的数量和分布。一般情况下，孔径大于200nm的孔称为大孔，孔径小于10nm的孔称为细孔，孔径为10～２00nm的孔径称为过度孔。对某一催化反应有相应最佳孔结构：⑴。当反应为动力学控制时，具有小孔大比表面的催化剂对活性有利。⑵。当内扩散控制时，催化剂的最优孔径应等于反应物或生成物分子的平均自由径。常压下为100nm左右，300atm下为1nm左右；⑶。对于较大的有机化合物分子，则根据反应物或生成物分子的大小决定催化剂的最优孔分布。另外，孔结构也对催化剂的选择性及催化剂的强度有一定的影响。10．催化剂的化学结构按其催化作用分哪几类？答：工业催化剂大多不是单一的化合物，而是多种化合物组成的，按其在催化反应中所起的作用可分为主活性组分、助剂和载体三部分。1．主活性组分是催化剂中起主要催化作用的组分。2．助剂添加到催化剂中用来提高主活性组分的催化性能，提高催化剂的选择性或热稳定性。按其作用机理分为结构性助剂和调变性助剂。结构性助剂作用是增大比表面，提高催化剂热稳定性及主活性组分的结构稳定性。调变性助剂作用是改变主活性组分的电子结构、表面性质或晶型结构，从而提高主活性组分的活性和选择性。⑶．载体是负载活性组分并具有足够的机械强度的多孔性物质。其作用是：作为担载主活性组分的骨架，增大活性比表面，改善催化剂的导热性能以及增加催化剂的抗毒性，有时载体与活性组分间发生相互作用生成固溶体和尖晶石等，改变结合形态或晶体结构，载体还可通过负载不同功能的活性组分制取多功能催化剂。11．气-固相催化反应的步骤是什么？答：气体分子在催化剂表面上起反应，必须经过以下七个步骤：1．反应物分子由气体相向催化剂的外表面扩散（外扩散）2．反应物分子由外表面向内表面扩散（内扩散）3．反应物吸附在表面上4．反应物在表面上进行化学反应，生成产物5．产物从表面上解吸6．产物从内表面向外表面扩散（内扩散）7．产物从外表面向气体相扩散（外扩散）在稳定状态下，反应速度的大小受其中速度最慢的步骤控制。一般在高温、低流速、大粒度催化剂下可能为扩散控制，而在低温、高流速、小粒度下可能转化为动力学控制。12．催化剂更换原则有哪