催化剂概念课件

催化剂：又称触媒，一类能改变化学反应速度而在反应中自身并不消耗的物

质。根据IUPAC于1981年提出的定义，催化剂是一种物质，它能够改变反应

的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焙变化。这种作用称为催化作用。

正催化剂：是一种它能够加速反应的速率而自身不改变物质。它能够诱导化

学反应发生改变，而使化学反应变快或者在较低的温度环境下进行化学反应。

在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。

催化剂中毒：催化剂中毒指催化剂由于某些物质的作用而使催化活性衰退或

丧失的现象。

催化剂载体：催化剂载体又称担体(support),是负载型催化剂的组成之一。

催化活性组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具

有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。

催化剂热点：催化剂床层温度最高的那个点一般叫做催化剂的热点，也是反

应最剧烈的区域。一般随着催化剂的使用时间增长，热点温度总是要下移。

助催化剂：在催化剂中加入的另一些物质，本身不具活性或活性很小的

物质，但能改变催化剂的部分性质，如化学组成、离子价态、酸碱性、

表面结构、晶粒大小等，从而使催化剂的活性、选择性、抗毒性或稳定

性得以改善。这样的物质叫助催化剂。

催化剂再生：使催化作用效率已经衰退的催化剂重新恢复其效率的过程。再

生过程不涉及催化剂整体结构的解体，仅仅是用适当的方法消除那些导致催

化效能衰退的因素。例如除去存留于催化剂上的毒质、覆盖于催化剂表面上

的尘灰和由于副反应而生成于催化剂外表或孔隙内部的沉积物等，力图恢复

催化剂的固有组成和构造。

催化剂寿命：指催化剂的有效使用期限，是催化剂的重要性质之一。催化剂

在使用过程中，效率会逐渐下降，影响催化过程的进行

孔隙率：催化剂的孔隙容积与颗粒体积之比称为孔隙率

比孔容：单位质量催化剂具有的孔隙容积称为比孔容

机械强度：催化剂颗粒抵抗摩擦、撞击、重力、温度和相变应力等作用的能

力，统称为机械稳定性或机械强度

真密度：指颗粒中固体物质的密度（g/ml）。

颗粒密度：是指包括颗粒孔隙容积在内所求出的密度（g/ml）。

堆密度：是单位容积反应器中填装的催化剂质量，它受催化剂的形状和尺寸

的影响通常以kg/1表示，它直接影响反应器的利用率。

堆集密度：堆集密度G是单位堆集体积的多孔性物质所具有的质量,即。

i=W（匕+眩+匕）

活性：催化剂提高化学反应速率的性能的一种定量的表征。在工业应用上常

使用单程转化率来描述活性，即原料通过催化床一次，催化剂使原料转变的

百分率。在理论研究中，常采用无物理因素影响的动力学参数（反应速率、反

应速率常数、活化能等）来表征催化剂的活性。

起始活性温度：具有工业生产意义的催化剂活性的最低温度。

钝化：在反应设备中具有活性的催化剂需要卸出时，通入含微量氧的惰

性气体或其它气体（如水蒸气），使其生成氧化膜，卸出时能安全和空气

接触而不导致剧烈燃烧，这种操作称催化剂的钝化。

氧化：具有活性并高温使用的催化剂在遇到氧等其它有害气体时所进行

的强烈放热反应，该类反应放出的热量能够烧结催化剂或烧坏设备的现

象称催化剂的氧化。

衰老：催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组

织和构造，催化剂会降低或丧失活性，这种现象称为催化剂衰退（衰老）或催

化剂失活。

比表面积：指每克催化剂的表面积（Di）。催化剂比表面的大小，尤其是活性

组分的比表面积值常直接影响催化活性。

适宜温度：催化剂在使用中活性表现最优时所对应的温度，工业生产上一

般表征为一个温度范围。

选择性：用消耗的原料中转变为目的产物的百分率表示。

耐热性：在高温条件下,催化剂受热而衰退,通常用不致引起催化剂不可逆的

衰退所能承受的最高温度表示其耐热性。

比表面：1克催化剂所暴露的总表面积称为总比表面（简称比表面）。

1克催化剂中活性组分暴露的表面积称为活性组分比表面。

催化剂的总表面积是活性组分、助催化剂、载体以及杂质各表面积

的总和。

催化剂的作用机理可分三类：①离子型反应机理。可从广义的酸、碱概念来

理解催化剂的作用，所用的催化剂多数为酸、碱、盐类，如氧化铝，硅酸铝

等。多数为非过渡元素的化合物，具有催化裂化、异构化、烷基化、水合、

脱水等反应的功能。②自由基型反应机理。催化剂与反应物间因氧化-还原作

用而使后者活化,在反应过程中涉及催化剂元素的价态变化，所用催化剂的材

质多数为金属、金属氧化物、金属硫化物，如银、粕、氧化帆、氧化铝、硫

化铝等。它们多数是过渡元素及其化合物，具有催化加氢、脱氢、氧化等反

应的功能。③络合反应机理。催化剂与反应物发生配位作用而使后者活化，

所用的催化剂称络合催化剂。

助催化剂按功用常分：①结构型助催化剂，用于增进活性组分的比表面

积或提高活性构造的稳定性，如氨合成用的铁-氧化钾-氧化铝催化剂中

的氧化铝。②调变型助催化剂，可对活性组分的本性起修饰作用，因而

改变其比活性（见催化活性），如前述铁一氧化钾一氧化铝催化剂中的

氧化钾。③毒化型助催化剂，能使某些引起副反应的活性中心中毒（见

催化剂中毒），从而提高目的反应的选择性，如在某些用于烧类转化反

应的催化剂中，加入少量碱性物质以毒化催化剂中引起炭沉积副反应的

中心。

催化剂中毒根据作用的性质和强弱，可分为可逆性中毒和不可逆中毒

（永久性中毒）。可逆性中毒可用简单的方法使催化剂性能恢复。催化剂毒

物具有特异性，对一种催化剂是毒物，对另一种可能无害。利用选择性中毒,

使催化剂中引起副反应的活性中心中毒，可提高催化剂的选择性。

中毒的机理大致有两类：一类是毒质吸附在催化剂的活性中心上，由于覆

盖而减少了活性中心的数目；另一类是毒质与构成活性中心的物质发生化学

作用转变为无活性的物质。按毒质与催化剂作用的程度，可分为暂时中毒和

永久中毒。前一类毒质与催化剂的结合较松弛，易于清除。例如：用银为催

化剂使烯燃加氢时，若原料气含快烧，它吸附于活性中心上，则出现中毒，

但如提高原料气纯度，降低焕含量，则吸附的烘将脱附，催化活性恢复，即

为暂时中毒（又称可逆中毒）；若原料气含硫化物，则硫与镇强烈结合，即

使原料气脱硫后，催化活性也不能恢复，则为永久中毒（又称不可逆中毒）。

催化剂中毒常是使催化剂寿命缩短的重要原因，在化学工业中选用抗毒能力

强的催化剂非常重要。

中毒现象与反应条件有关，对于给定的催化反应系统，只在原料中毒质浓

度达到特定值时，才发生中毒现象,称耐受量,故须将原料净化到毒质含量低

于此值。改变反应温度可改变抗毒能力。毒质与催化剂、催化反应间具有选

择关系，即不同的物质对不同的催化剂、不同的催化反应起毒化作用。因此,

在同一催化剂上发生两种催化反应，一种物质可能只毒化其中一种，利用这

种选择性中毒现象，在原料或催化剂中有意加入某种毒质以毒化引起副反应

的活性中心，从而提高目的反应的选择性。例如在某些固体酸催化剂中加入

少量碱性物质以毒化某些强酸中心，以抑制积碳副反应。在某些场合,毒化和

助催化作用于特定条件下可互转化，如在有些催化剂中存在某异物为毒质，

但含量很低时却可起助催化剂的作用。

催化剂载体

催化剂载体又称担体(support),是负载型催化剂的组成之一。催化活性

组分担载在载体表面上，载体主要用于支持活性组分，使催化剂具有特定的

物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。多数载体是催化剂工业中的

产品，常用的有氧化铝载体、硅胶载体、活性炭载体及某些天然产物如浮石、

硅藻土等。常用“活性组分名称-载体名称”来表明负载型催化剂的组成，如

加氢用的锲-氧化铝催化剂、氧化用的氧化帆-硅藻土催化剂。

催化剂载体的作用

载体能使制成的催化剂具有合适的形状、尺寸和机械强度，以符合工业反

应器的操作要求；载体可使活性组分分散在载体表面上，获得较高的比表面

积，提高单位质量活性组分的催化效率。若用分子筛为载体，柏可达到接近

于原子级的分散度。载体还可阻止活性组分在使用过程中烧结，提高催化剂

的耐热性。对于某些强放热反应，载体使催化剂中的活性组分稀释，以满足

热平衡要求；良好热导率的载体，如金属、碳化硅等,有助于移去反应热，避

免催化剂表面局部过热。载体又可将某些原来用于均相反应中的催化剂负载

于固体载体上制成固体催化剂，如磷酸吸附在硅藻土中制成的固体酸催化剂,

酶负载在载体上制成的固定化酶。

本身无催化活性的载体称惰性载体。但有些载体也表现出催化活性，称活性

载体，如煌类催化重整所用的钳-氧化铝催化剂,钳是具有加氢和脱氢的功能

的活性组分，氧化铝是具有异构化功能的活性组分，两者组合成为双功能催

化剂。在某些负载型的金属催化剂中，载体还可影响金属的催化性质,称载体

一金属间强相互作用。

催化剂载体的分类

载体种类繁多，可分为高比表面积载体和低比表面积载体。前者的比表面

积每克可达几十至几千平方米，如活性炭可高达2000叫而-AlOSiC可小于

Im[kgl]对于比活性低的催化活性组分常选用高比表面积载体以提高活性组

分的分散度。当催化活性组分的比活性很高时，为了控制强放热反应系统中

的热平衡,有时要选低比表面积载体,以约束催化剂的活性。载体的孔隙构造

可分为无孔隙型、多孔隙型，后者又有粗孔、细孔之分。孔径细小的多孔载

体，其孔隙内部有巨大的表面积，有利于制成高活性催化剂，但细孔不利于

反应物与产物分子的扩散，将造成内扩散效应。多数载体的孔隙构造甚为复

杂，如硅藻土载体。电子显微镜照片表明，粒子中主要是粗大的孔隙，但亦

有一些较细小的孔隙，选用已成型的载体制造催化剂时，催化剂的形状由载

体的形状决定，因此，为了满足反应工程特性的要求，应选用适合造型的载

体。常用的载体外形有粉末状、球状、微球状、条状、锭状、环状等，也有

某些如三叶状、轮辐状、蜂窝状等异型载体。

催化剂

催化剂是一种它能够加速反应的速率而自身不改变物质。它能够诱导化学

反应发生改变，而使化学反应变快或者在较低的温度环境下进行化学反应。

在有催化剂的环境下，分子只需较少的能量即可完成化学反应。

催化剂又称触媒，其作用通常是加速反应，例如铁催化剂可使氮和氢转变

为氨的反应大为加速，使合成氨工业成为可能。若其作用是使反应减速,则称

负催化剂,如少量醇、酚或蔗糖可抑制亚硫酸钠溶液被溶于水中的氧所氧化。

催化剂可以是气态物质（如氧化氮）、液态物质（如酸、碱、盐溶液）或固

态物质（如金属、金属氧化物），还有些以胶体状态存在（如生物体内的酶）。

在催化剂工业中，主要产品是固体催化剂。

催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位,现在几乎有半数以上的化

工产品，在生产过程里都采用催化剂。例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫

酸生产采用帆催化剂，乙烯的聚合以及用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生

产中，都采用不同的催化剂。

催化剂的性能

一种催化剂可使特定的反应循阻力较小的途径进行，降低所需的活化能,

从而使反应加速。例如图中虚线表示反应物循非催化反应途径转变成产物，

活化能为E。当存在某种固体催化剂时，其反应途径如实线所示：第一步，反

应物与催化剂作用，变成吸附态的反应物，活化能为E1；第二步，吸附态的

反应物转变成吸附态的产物，活化能为E2；第三步，吸附态的产物脱附，变成

产物并释放出催化剂，活化能为E3。虽然这两条途径的结果相同，但在催化

反应途径中，各步骤的活化能均小于非催化反应途径的活化能，故阻力较小,

反应加速。在催化反应途径中，催化剂虽然参与反应，但经历特定的循环后

重新被释放出来，此循环过程称催化循环。负催化剂的作用通常是能毒化反

应系统中原有的催化剂或截断反应链。

一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应,意即同一催化

剂对于不同的反应具有不同的催化活性，称催化剂选择性。利用催化剂对反

应的选择性来控制原料的化学转变方向，在化学工业中有重要意义。

在可逆反应中，对于正、逆反应的速度，催化剂是以同样的倍率产生影响

的。所以催化剂虽然能加速化学反应，但它不能改变化学平衡常数，只能影

响反应向平衡状态推进的速度。例如的、钿催化剂可使苯加氢转变为环己烷,

但在有利于脱氢反应的热力学条件下，它们亦可使环己烷脱氢成苯。

催化剂在使用过程中，因某些物理和化学作用破坏了催化剂原有的组织和

构造，催化剂会降低或丧失活性，这种现象称为催化剂衰退或催化剂失活。

例如反应物中的某些杂质与催化剂作用或覆盖于催化剂表面，会使催化剂中

毒，导致催化剂衰退。有些催化剂失活后可以用特定的方法处理，使催化剂

再生,重新恢复催化活性;有些催化剂失活后不能再生。但所有的催化剂都有

一定的使用期限，称催化剂寿命。

催化剂使用

为了使催化剂充分发挥作用，需要在工业装置上正确地使用催化剂，包括

催化剂的贮藏、装填、开工、活化、钝化、运转、再活化、再生等。

商品催化剂是存放在密封的贮器中，并注意贮存温度，以免变质。有些催

化剂，如骨架银需贮存于液体中，严密隔绝空气。有的要在氮气氛中装填，

否则会因氧化而失活并引起燃烧。固体颗粒状催化剂在贮运中要避免冲撞，

以防颗粒破损。如有破损,在使用前用户需加以筛分，除去碎粒和粉尘。装填

固定床需采用装填料斗，均匀地将颗粒填入反应器，保证床层各处有相同的

空位率并且摊平。若为列管式反应器，各管填装催化剂后要有相同的压力降,

保证在作业中流体物料均匀分布。近年来，出现了一些新的装填技术，可以

将催化剂颗粒平整、均匀地装入反应器，并且装入量可增加10%〜15%,提

高了反应器的利用率。

对有些催化剂常要按一定程序加以处理，如石油储分加氢精制的铜-银催

化剂，要通过空气和水蒸气处理以及硫化等步骤进行活化；有的催化剂，如氨

合成用的铁催化剂需要在装置上先还原活化；但另一些催化剂，如粕铢重整

催化剂，却要用硫化物钝化以抑制氢解，防止开始进料时催化剂床层超温。

在运转过程中，要对原料进行预处理以防止催化剂中毒，并且注意和控制催

化剂床层压力降和温度分布，以保证其正常作业。在有些场合还要定期分析

催化剂样品，以观察其效能的变化。除控制反应条件外，有的还要严格控制

反应环境，如粕重整催化剂要控制循环氢中的水氯平衡，以保持催化活性和

催化剂选择性。有的催化剂，如裂解轻焦油加氢的银催化剂，在运转一段时间

后，先用水蒸气吹扫，然后经热氢处理，以恢复一定活性，称为再活化。但是

对于许多有机催化反应过程用的催化剂，经过长期运转后积碳失活，这时就

要采用空气烧焦来进行催化剂再生。在流化床催化裂化过程中，催化剂迅速

积碳，用后随即进入流化床再生器烧焦再生。

由于在使用过程中催化剂的作用效率逐渐变化,所以作业条件亦宜相应地

调整。对于固定床作业的工艺，通常在开工初期采用低负荷运转，然后逐渐

增大反应物投入量,达到正常负荷;当催化剂开始衰退时，负荷则要相应减低,

或者逐步提高作业温度，或进行再活化、再生处理，直到催化剂寿命终止。

对于流化床作业，可逐步排放部分催化剂，补充部分新催化剂，以维持稳定

作业。一般催化剂厂均应提供使用方面的技术服务，充分发挥催化剂的经济

效益。

催化剂的组成

在某些反应中，单一的元素或化合物可作为催化剂;但在多数场合为了使

催化剂具备特定的性能,常由几种成分配合而成。各种组分按作用的不同可分

为催化活性组分、助催化剂、催化剂载体等。活性组分是使催化剂具备活性

所必需的成分,例如催化加氢用的锂-硅藻土催化剂中的银、氨合成用的

Fe-K20-A1203催化剂中的铁。固体催化剂是借助其表面与作用物接触才发生

催化作用的，故多数为具有较高比表面积的物质。但并非固体的全部表面均

具有催化活性，具有活性的部分称为催化活性中心或活性位。活性中心的组

成、构造及其生成和破坏，在催化理论和实践中均具有重要意义。助催化剂

是一类能改善活性组分的催化性能的物质。为了提高活性组分的分散度和利

用率，并使催化剂具有一定的形状,许多固体催化剂中的活性组分是载于载体

上的,如银-硅藻土催化剂中的硅藻土即为载体。在有些工业催化剂配方中，

还需要加入具有其他作用的组分，如在固体催化剂中加入提高机械强度用的

粘结剂。

催化剂分类

按来源可分为生物催化剂和非生物催化剂。后者是目前大多数的工业催

化剂，它们都是由人工合成的，是具有特定组成和结构的制品，多数固体催

化剂还具有特定的形状。工业催化剂有两种分类法（见表）：①按材质分类。

由于活性组分为催化剂的关键组分，可按活性组分的化合状态将固体催化剂

材料分类，目前主要有金属催化剂、金属氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸

碱催化剂和络合催化剂等。②按功能分类。按所催化的反应过程来分类，例

如用于加氢的催化剂称为加氢催化剂。此外，还有按使用领域分类的，例如

石油化工催化剂、石油炼制催化剂、无机化工催化剂、环境保护催化剂等。

催化洌分类

举例

材班功能

假化制反应

«k露与氧合成氨

加量

煤油黯加复制碳化油

金M珀、记汽车排气净化

，化«冢氧化生成氧化氟

侬甲静就化生成甲庇

氧化格丁烷脱氮生成丁烯

金属仅氧化“化酰二H化,氯化生成三氯化硫

化物

汽化的、

MK黑化油油脂加氮制熟以翱舫H

箕化01、

珑化物破化妈、石油加氢裂化、加氯机制、加

琉化牯.氧脱破

破化像

裂化石油裂化

弁构化分子笏同二甲翠异物化生成对二甲羊

烷延化三氯化蜴

酸、*乙烯与羊生成乙羊

&

JH*氧化铝乙好脱水生成乙熔

水合斶体硝酸乙烯水合生成乙髀

信自氮冢化钠丙阳缩含生成二丙制醇

庆君化&络合物甲阳胺弘化制酶酸

络合的烷越裙-

三氧化徒

聚合和氯化候内蜻戢2切聚丙姆

我体

除直接促进化学反应的催化剂外，还有一类称相转移催化剂，具有加速不

同相间物质传递的功能。在分为两相的液相反应中利用相转移催化剂可缩短

反应时间，它们多数为季钱盐。例如在从甲酚和氧氯化磷合成甲酚磷酸酯时,

可用氯化十六烷基-甲基核作为相转移催化剂。

催化剂的作用机理

由于催化剂对反应有严格的选择性，催化剂的应用有很强的专一性。对于

催化剂的作用机理已进行了许多研究,有助于对催化剂的选择。催化剂的作用

机理可分三类。①离子型反应机理。可从广义的酸、碱概念来理解催化剂的

作用，所用的催化剂多数为酸、碱、盐类，如氧化铝，硅酸铝等。多数为非

过渡元素的化合物，具有催化裂化、异构化、烷基化、水合、脱水等反应的

功能。②自由基型反应机理。催化剂与反应物间因氧化-还原作用而使后者活

化,在反应过程中涉及催化剂元素的价态变化，所用催化剂的材质多数为金

属、金属氧化物、金属硫化物，如银、的、氧化帆、氧化铝、硫化铝等。它

们多数是过渡元素及其化合物，具有催化加氢、脱氢、氧化等反应的功能。

③络合反应机理。催化剂与反应物发生配位作用而使后者活化，所用的催化

剂称络合催化剂。

选择催化剂的另一途径是选用具有同类功能的已知催化剂,例如已知锲为

乙烯加氢催化剂，可以试用作丙烯的加氢催化剂。但由于反应的差异和催化

剂的专一性，必须用实验加以验证。

有些化学过程的结果，是几种不同反应机理的反应总和，要求几种催化活

性组分加以配合，以具有多种功能，称多功能催化剂。例如催化重整所用催

化剂中的粕对加氢、脱氢有催化功能，氧化铝对异构化有催化功能。

在选择催化剂时还必须注意：催化剂的性能不仅取决于其活性组分，而且

是各种成分的性质及其相互影响的总和，此外还必须考虑其对反应装置、反

应工艺的适应性。

工业催化剂特性评定-正文

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指工业催化剂的使用特性及与之有关的物理性质，它们是决定催化剂优

劣的指标。在工业催化剂中，用量最大的是固体催化剂，常用的评价指标如

下：

物理性质与催化性能有关的主要是催化剂的外表面、内部结构、机械

性能和热性能。

形状和尺寸在化工生产用反应器中，它们直接影响流体流动，包括流

体在床层中的分布和流过床层时的压力降等工程特性，例如在固定床反应器

中用球状催化剂比用不规则形状或锭状催化剂的压力降小，而环境保护用的

蜂窝状催化剂又比球状催化剂的压力降小（图1）。单位质量的催化剂,因形状

和尺寸不同，具有不同的外表面积。从而影响物质从流体内向单位重量催化

剂的外表面传递的数量，这对于受外扩散控制的反应系统是重要的（图2）。

图中阴影区域为常用球状催化剂的粒径范围和常用蜂窝状催化剂的孔道数密

度范围。同时，颗粒尺寸不同，分子在催化剂颗粒的孔隙中进行扩散的距离

也不等，这对于内扩散控制的反应系统也同样重要。在流化床中，还要考虑

粒度的分布。后者常用催化剂的形状系数和当量直径来描述。

峰X状催化WI数

?7

24

21

18

15

129

6

3

02345678910

球状催化的修度（mm>

2B3不网通灵修优剜的外米营朝

K1不阿缎笈僵化川的压力*

密度分为真密度、颗粒密度和堆密度。真密度指颗粒中固体物

质的密度（g/ml）。颗粒密度是指包括颗粒孔隙容积在内所求出的密度（g/ml）。

堆密度是单位容积反应器中填装的催化剂质量，它受催化剂的形状和尺寸的

影响通常以kg/1表示，它直接影响反应器的利用率。

比表面积指每克催化剂的表面积面）。催化剂比表面的大小，尤其是

活性组分的比表面积值常直接影响催化活性。

孔隙构造多数催化剂为多孔物质，表面积大部分为孔隙中的孔壁所提

供的内表面积，反应器中物料分子必须克服微孔中的内扩散阻力,才能进入或

逸出孔隙,导致在孔隙中出现浓度梯度，并且影响分子在催化剂上的停留时间,

从而使催化活性和选择性受到影响,称内扩散效应。通常用催化剂效率系数

（在该催化剂上的反应速度常数与不存在内扩散效应时的反应速度常数之比

值），来表达孔结构的影响。可用孔容（ml/g）、孔隙率（%）、平均孔径（A）

来描述孔隙构造。由于催化剂中的孔径常不一致，还必须了解孔径分布。同

一催化剂，若孔隙率高，则颗粒密度和堆密度降低，在催化剂生产与研制中

往往应权衡其利弊。

机械强度主要表现为催化剂耐压强度和催化剂耐磨强度，前者用

kg/cd表示，后者在各厂家中均有特定的测试方法。机械强度差的催化剂，

在装填运转过程中容易破损和流失,从而影响反应器中流体流动的情况,造成

压力降增高，流体分布不均，甚至不能正常操作。致密的催化剂常有较高的

机械强度，但孔隙率下降。

热性质催化剂的热导率影响反应床中的热量传递，对于强放热反应、

高热导率的催化剂，可以减少催化剂局部过热，减少颗粒内部的温度梯度。

热容与热膨胀系数是重要的热性质，热膨胀系数低的催化剂更能耐受开工和

停工阶段的热冲击，催化剂不致破碎。

使用特性与催化剂本身的催化性能、作业条件、寿命、费用、能耗和

对环境的影响等有关。

催化性能催化活性和催化剂选择性是催化性能的两个重要标志。在工

业应用上常使用单程转化率来描述活性，即原料通过催化床一次，催化剂使

原料转变的百分率。选择性则用消耗的原料中转变为目的产物的百分率表示。

转化率和选择性常为相互制约的两种特性，多数的催化剂在高转化率条件下,

选择性往往下降。另一标志是催化剂的生产能力，可用单位容积（或质量）

的催化剂在单位时间内生成的目的产物数量来表达，称时空得量。

作业条件催化剂的作业条件包括原料的组成、反应温度、压力、投料

速度等，后者常用空间速度表示，即每单位容积催化剂每小时投入的反应物

的容积数。高活性的催化剂可以在高空间速度条件下作业。对于特定的催化

反应系统，作业条件对催化剂的活性、选择性、生产能力、寿命等有特定的

影响规律。苛刻的作业条件（如高温、高压、高纯度的原料）都会增加投资

与操作费用。催化剂若有较宽的作业条件范围，则可以减少反应器设计和过

程控制的难度。

①毒质及其最高容许浓度毒质是指原料中会使催化剂中毒的某些杂

质，为延长催化剂寿命，原料需提纯到一定的纯度。例如用于催化加氢的多

数金属催化剂，原料中的硫含量均不能超过ppm级。若催化剂具有较好的抗

毒性，即容许的毒质浓度较高，则可减少提纯原料所需的费用，并延长生产

装备的开工周期。

②耐热性在高温条件下，催化剂受热而衰退，通常用不致引起催化剂

不可逆的衰退所能承受的最高温度表示其耐热性。正常作业温度和能耐受的

最高温度间之差值愈大，则作业愈安全。有些催化剂在使用过程中活性逐渐

衰退，可用逐步升高作业温度的方法来弥补活性损失。通常催化剂有规定的

升温速率和温升极限。

③开工方法正确的开工方法使催化剂进入正常的使用状态。如未还

原的铁系合成氨催化剂，开工阶段要还原；一氧化碳变换催化剂在开工时需

经历释放硫的阶段；加氢精制用的钻一铝催化剂要经历硫化阶段；否则在开工

阶段不能获得正常的产品或达到规定的产量。如在合成氨工业中采用已预还

原的铁催化剂，则可缩短开工阶段。

④再生方法需要频繁再生的催化剂不宜在固定床反应器中作业。再

生条件与反应条件差别很大时，也难以在同一反应器中进行。（见催化剂再

生）

寿命优良的催化剂要求具有长寿命，不仅是因为更换催化剂所需之费

用，而且更换要花费工时，使生产能力遭到损失。（见催化剂寿命）

催化剂费用可用生产单位质量（或容积）的产品所耗用催化剂的费用

来表示，它同时与催化剂生产成本和催化效能、催化剂寿命有关。对于使用

催化剂的工业生产过程，催化剂费用往往只占总投资中的很小一部分。更重

要的是从使用催化剂所导致生产过程的经济效益的提高来评价催化剂。

能耗特定的催化剂要在特定的温度条件下作业，为此而进行的加热和

冷却均需耗能；反应物通过催化床、并使未反应的原料循环也需耗能；若需

在高压条件下作业，则能耗更大。生产中，不仅要考虑催化反应过程中所需

能耗，还必须针对特定的催化剂，为将原料提纯和从反应混合物分离出目的

产物所需的能耗。对于使用催化剂的生产过程，尤其是大规模生产过程，能

耗是评价所用催化剂的重要指标。

对环境的影响催化过程的排放物和所产生的副产物可能造成污染。催

化剂再生时及生产催化剂时亦可能造成污染，要考虑这些污染对环境的影响

及治理污染的费用。

参考书目

s.W.韦勒主编，南京化学工业公司研究院译：《催化剂测试方法的标准化》，

化学工业出版社，北京，19810（S.W.Weller,StandardizationofCatalyst

TestMethods,AmericanInstituteofChemicalEngineers,NewYork,1974.）

催化剂寿命-正文

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指催化剂的有效使用期限，是催化剂的重要性质之一。催化剂在使用过

程中，效率会逐渐下降，影响催化过程的进行。例如因催化活性或催化剂选

择性下降，以及因催化剂粉碎而引起床层压力降增加等，均导致生产过程的

经济效益降低，甚至无法正常运行。

为了使过程的经济效益不低于额定值，必须更换催化剂。引起催化剂效

率衰减而缩短其寿命的原因很多，主要有：原料中杂质的毒化作用（见催化

剂中毒）；高温时的热作用使催化剂中活性组分的晶粒增大，从而导致比表

面积减少（图1）,或者引起催化剂变质；反应原料中的尘埃或反应过程中

生成的碳沉积物覆盖了催化剂表面（图2,黑色颗粒为银，丝状物为碳沉积

物）；催化剂中的有效成分在反应过程中流失；强烈的热冲击或压力起伏使

催化剂颗粒破碎；反应物流体的冲刷使催化剂粉化吹失等。催化剂的寿命不

仅决定于制造厂家所提出的正常操作条件范围内保证使用期，也和用户实际

的作业条件和使用方法有关。在化工生产中，不仅要考虑催化剂的费用，而

且要考虑因更换催化剂停工所带来的损失,对于上述影响寿命的因素甚为繁

感的催化剂，还要考虑其使用方法，为此常常需要增加工业装备的投资，保证

免遭意外事故。有些催化剂中毒后可以再生，但多次再生后，出现了不可恢

复的变化，致使催化过程的效率低于规定的指标，寿命遂即终止（见催化剂

再生）。

催化剂性能表征-正文

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催化剂性能优劣的判断指标。其中最主要的是动力学指标，对于固体催

化剂还有宏观结构指标和微观结构指标。

催化剂性能的动力学表征衡量催化剂质量的最实用的三大指标，是由

动力学方法测定的活性、选择性和稳定性。

活性催化剂提高化学反应速率的性能的一种定量的表征。在实际应用

中，用特定条件下某一反应物的转化率或时空得率等数值来衡量它，例如下

列反应：

aA+ZB----►cC+cD

A的转化率再定义为：

r=&R

式中5■是反应前A的摩尔数；4是反应后A的摩尔数。时空得率为单位体

积催化剂上所得产物的重量，其单位为千克/（米3•小时）。这类数值与反

应装置和条件有关，而且在给定条件下，若催化剂层存在着物理因素（传热、

传质等）的影响，则其活性数值并不代表催化剂本身的本征活性。在理论研

究中，常采用无物理因素影响的动力学参数（反应速率、反应速率常数、活

化能等）来表征催化剂的活性。但反应速率和反应速率常数与催化剂计量的

基准单位（表面积、体积、质量）有关。以表面积为基准的量分别称为表面

比反应速率和表面比速率常数；以质量为基准的称为比反应速率或催化剂的

比活性。反应速率常数的数值还与所用的速率方程的形式有关。随着对催化

作用的活性中心认识的深入和测试方法的进步，已引用酶催化中的转化频率

来表示一般催化剂的活性。其定义为单位时间内每个活性中心上起反应的次

数或分子数。转化频率的数值也须注明温度、起始浓度或压力和反应度。

选择性指催化剂对反应类型、复杂反应（平行或串联反应）的各个反

应方向和产物结构的选择催化作用。分子筛催化剂对反应分子的形状还有择

形选择性。催化剂的选择性通常用产率或选择率和选择性因子来量度。对于

前述反应式，目的产物C的产率Sc定义为C的摩尔数比对已转化的反应物A

的摩尔数为之百分比，即：

E-E_lin—

nF-22

式中a和。为常数。如果已知主、副反应的反应速率常数分别为左和左,则

选择性用选择性因子s来表示,s=41/左。产率越高或选择性因子越大，则催

化剂的选择性越好。

在实际应用中，还采用收率来综合衡量催化剂的活性和选择性。对于前

述反应，C的收率K定义为：

m

0=颉"

显而易见，收率等于转化率和产率的乘积：

•氏

YC=XK

稳定性指催化剂对温度、毒物、机械力、化学侵蚀、结焦积污等的抵

抗能力，分别称为耐热稳定性、抗毒稳定性、机械稳定性、化学稳定性、抗

污稳定性。这些稳定性都各有一些表征指标，而衡量催化剂稳定性的总指标

通常以寿命表示。寿命是指催化剂能够维持一定活性和选择性水平的使用时

间。催化剂每活化一次能够使用的时间称为单程寿命；多次失活再生而能使

用的累计时间称为总寿命。

固体催化剂的宏观结构和性能表征几何形状和粒度固体催化剂的

几何形状有粉末、微球、小球、圆柱体（条形或片状）、环柱体、无规则颗

粒以及丝网、薄膜等，粒度小至几十微米，大到几十毫米。工业上常见的催

化剂外形及其粒度如下：固定床催化剂为小球、条形、片状及其他无规则颗

粒，一般直径在4毫米以上;移动床催化剂为小球，直径3毫米左右；流化床

催化剂为微球，几十至几百微米。粒度可用筛析法、卡尺法直接测定，或由

有关物理量间接计算。

密度通常所说的密度。是质量必与其体积厂之比，即。=必/%然而，

对于多孔性催化剂来说,因为颗粒堆集体积/是由颗粒间的空隙体积匕、颗

粒内的孔隙体积均和颗粒真实的骨架体积匕三项共同组成的：/=匕+丹+匕，

所以同一个质量除以不同涵义的体积，便得堆集密度、颗粒密度、骨架密度。

堆集密度小是单位堆集体积的多孔性物质所具有的质量,即O尸必/（匕+孩+%）;

颗粒密度02是单位颗粒体积的物质具有的质量，即。2=%/（丹+丹）；骨架密

度03是单位骨架体积的物质具有的质量，即03=必/匕。

测定堆集密度通常使用量筒法；颗粒密度则用汞置换法；骨架密度多用

苯置换法或氮、氨、氮等置换法。

孔结构许多多孔性催化剂含有大量的微孔，宛如一块疏松的海绵。要

使催化反应顺利进行，反应物与产物分子必须靠扩散才能自由出入微孔。描

述微孔结构的主要参数有孔隙率、比孔容积、孔径分布、平均孔径等。

催化剂的孔隙容积与颗粒体积之比称为孔隙率；单位质量催化剂具有的

孔隙容积称为比孔容。孔隙率的大小与孔径、比表面、机械强度有关，较理

想的孔隙率多在0.4〜0.6之间。用四氯化碳吸附法测定比孔容，方法简单，

操作方便，一次可同时测定几个样品。理想的孔隙结构应当孔径大小相近、

孔形规整。但是，除分子筛之类的物质外，绝大部分固体催化剂的孔径范围

非常宽，而且比孔容按孔径分布的曲线可能出现若干个高峰。孔径分布一般

用气体吸附法与压汞法联合测绘。硅胶等物质只有一个微孔体系，大部分孔

径偏离中央平均值不远，可用平均孔半径（境）代表孔径大小。其值可由实验

测得的比孔容（％）和比表面（s）按下式计算：境=2匕/sg。

比表面多孔性固体催化剂由微孔的孔壁构成巨大的表面积,为反应提

供广阔的场地。1克催化剂所暴露的总表面积称为总比表面（简称比表面）。

1克催化剂中活性组分暴露的表面积称为活性组分比表面。于是，催化剂的

总表面积是活性组分、助催化剂、载体以及杂质各表面积的总和。

总比表面可用非选择性的物理吸附法测定，其中包括BET静态容量法（见

彩图）、重量法和流动色谱热脱法、迎头法等。活性组分比表面常用化学吸附

法测定，如氢吸附法、一氧化碳吸附法、二氧化碳吸附法