催化劑基礎(chǔ)知識

工藝基礎(chǔ)知識1．什么是催化劑？催化作用的特征是什么？答：在化學反應中能改變反應速度而本身的組成和重量在反應前后保持不變的物質(zhì)叫催化劑。加快反應速度的稱正催化劑；減慢的稱負催化劑。通常所說的催化劑是指正催化劑。催化作用改變了化學反應的途徑。在反應終了，相對于始態(tài)，催化劑雖然不發(fā)生變化，但卻參與了反應，例如形成了活化吸附態(tài)，中間產(chǎn)物等，因而使反應所需的活化能降低。催化作用不能改變化學平衡狀態(tài)，但卻能縮短了達到平衡的時間，在可逆反應中能以同樣的倍率提高正逆反應的速度。催化劑只能加速在熱力學上可能發(fā)生的反應，而不能加速熱力學上不可能發(fā)生的反應。催化作用的選擇性。催化劑可使相同的反應物朝不同的方向反應生成不同的產(chǎn)物，但一種催化劑在一定條件下只能加速一種反應。例如一氧化碳和氫氣分別使用銅和鎳兩種催化劑，在相應的條件下分別生成甲醇和甲烷+水。一種新的催化過程，新的催化劑的出現(xiàn)，往往從根本上改變了某種化學加工過程的狀況，有力推動工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展，創(chuàng)造出大量財富，在現(xiàn)代的無機化工、有機化工、石油化工和新興的海洋石油化工工業(yè)中這樣的例子不勝枚舉。在與人類的生存息息相關(guān)的諸多方面如資源的充分利用，提高化學加工過程的效率，合成具有特定性能的產(chǎn)品，有效地利用能源，減少和治理環(huán)境污染以及在生命科學方面，催化作用具有越來越重大的作用。2．什么是活化能？答：催化過程之所以能加快反應速度，一般來說，是由于催化劑降低了活化能。為什么催化劑能降低活化能呢？關(guān)鍵是反應物分子與催化劑表面原子之間產(chǎn)生了化學吸附，形成了吸附化學鍵，組成表面絡合物，它與原反應物分子相比，由于吸附鍵的強烈影響，某個鍵或某幾個鍵被減弱，而使反應活化能降低很多。催化反映中的活化能實質(zhì)是實現(xiàn)上述化學吸附需要吸收的能量。從一般意義上來說，反應物分子有了較高的能量，才能處于活化狀態(tài)發(fā)生化學反應。這個能量一般遠較分子的平均能量為高，兩者之間的差值就是活化能。在一定溫度下，活化能愈大，反應愈慢，活化能愈小，反應愈快。對于特定的反應物的催化劑而言，反應物分子必須跨過相應的能壘才能實現(xiàn)化學吸附，進而發(fā)生化學反應。簡言之，在化學反應中使普通分子變成活化分子所須提供的最小能量就是活化能。其單位通常用千卡/克分子或千焦/摩爾表示。3．什么是催化劑活性？活性表示方法有那些？答：衡量一個催化劑的催化效能采用催化活性來表示。催化活性是催化劑對反應速度的影響程度，是判斷催化劑效能高低的標準。對于固體催化劑的催化活性，多采用以下幾種表示方法：⑴．催化劑的比活性。催化劑比活性常用表面比活性或體積比活性，即所測定的反應速度常數(shù)與催化劑表面積活催化劑體積之比表示。⑵．反應速率表示法。反應速率表示法即用單位時間內(nèi)，反應物或產(chǎn)物的量的摩爾數(shù)變化來表示。⑶．工業(yè)上常用轉(zhuǎn)化率來表示催化活性。表示方法為：在一定反應條件下，已轉(zhuǎn)化掉反應物的量（n‘A）占進料量（nA0）的百分數(shù)，表示式為：xA（轉(zhuǎn)化率）=n‘A/nA0×100%⑷．用每小時每升催化劑所得到的產(chǎn)物重量的數(shù)值，即空時得量YV·t來表示活性。YV·t=W（產(chǎn)物重量，kg）/V（催化劑體積，l）·t（反應時間，h）上述⑶、⑷活性表示法，都是生產(chǎn)上常用的，除此之外，還有用在一定反應條件下反應后某一組分的殘余量來表示催化劑活性，例如，烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應中用出口殘余甲烷量表示。這些方法直觀但不確切，因為它們不但和催化劑的化學組成、物理結(jié)構(gòu)、制備的條件有關(guān)，并且也和操作條件有關(guān)。但由于直觀簡便，所以工業(yè)上經(jīng)常采用。4．什么是催化劑失活？失活原因有哪些？答：對大多數(shù)工業(yè)催化劑來說，它的物理性質(zhì)及化學性質(zhì)隨催化反應的進行發(fā)生微小的變化，短期很難覺察，然而，長期運行過程中，這些變化累積起來，造成催化劑活性、選擇性的顯著下降，這就是催化劑的失活過程。另外，反應物中存在的毒物和雜質(zhì)，上游工藝帶來的粉塵，反應過程中，原料結(jié)碳等外部原因也引起催化劑活性和選擇性下降。催化劑失活主要是：原料中的毒物，催化劑超溫引起熱老化，進料比例失調(diào)，工藝條件波動以及長期使用過程中由于催化劑的固體結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化或遭到破壞而引起的活性、選擇性衰減。5．什么是催化劑的選擇性？答：當化學反應在熱力學上可能有幾個反應方向時，一種催化劑在一定條件下只對其中的一個反應起加速作用，這種專門對某一個化學反應起加速作用的性能，稱為催化劑的選擇性。選擇性=消耗于預期生成物的原料量/原料總的轉(zhuǎn)化量催化劑的選擇性主要取決于催化劑的組分、結(jié)構(gòu)及催化反應過程中的工藝條件，如壓力、溫度、介質(zhì)等。6．催化劑中毒分哪幾種？分別敘述。答：催化劑中毒可分為可逆中毒、不可逆中毒和選擇中毒?？赡嬷卸荆憾疚镌诨钚灾行纳衔交蚧蠒r，生成的鍵強度相對較弱，可以采用適當?shù)姆椒ǔザ疚?，使催化劑活性恢復，而不會影響催化劑的性質(zhì)，這種中毒稱可逆中毒或暫時中毒。不可逆中毒：毒物與催化劑活性組分相互作用形成很強的化學鍵，難以用一般的方法將毒物除去，使催化劑活性恢復，這種中毒叫不可逆中毒或永久中毒。選擇中毒：一個催化劑中毒之后可能失去對某一反應的催化能力，但對別的反應仍具有催化活性，這種現(xiàn)象稱為選擇中毒。選擇中毒有可利用的一面，例如在串聯(lián)反應中，如果毒物僅使導致后繼反應的活性部位中毒，則可使反應停留在中間產(chǎn)物上，獲得所希望的高產(chǎn)率的中間產(chǎn)物。7．如何評價催化劑強度的好壞？答：工業(yè)固體催化劑的顆粒應有承受以下幾種應力而不致破碎的強度。⑴．它必須經(jīng)得起在搬運包裝桶時引起的磨損和撞擊，以及催化劑在裝填時能承受從一定高度拋下所受的沖擊和碰撞。⑵．催化劑必須承受其自身重量以及氣流沖擊。催化劑的強度用壓碎強度和耐磨強度來表示。這一般指的是催化劑的機械強度。許多工業(yè)催化劑是以較穩(wěn)定的氧化態(tài)形式出廠，在使用之前要進行還原處理。一般情況下，氧化態(tài)的催化劑強度較好，而經(jīng)過還原之后或在高溫、高壓和高氣流沖刷下長期使用內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而破壞催化劑的強度。為此評價催化劑的強度的好壞，不能只看催化劑的初始機械強度，更重要的是考察催化劑在還原之后，在使用過程中的熱態(tài)破碎強度和耐磨強度是否能夠滿足需要。催化劑在使用狀態(tài)下具有較高的強度才能保證催化劑較長使用壽命。8．什么是催化劑的比表面？簡述比表面的重要性。答：單位重量催化劑所具有的表面叫做比表面。單位是m2/g。多相催化反應發(fā)生在催化劑表面上，所以催化劑比表面的大小會影響到催化劑活性的高低。但是比表面的大小一般并不與催化劑活性直接成比例，因為第一，我們測得的比表面是催化劑的總表面，具有催化活性的面積（活性表面）只占總面積的一部分，為此催化劑的活性還與活性組分在表面上的分散有關(guān)。第二，催化劑的比表面絕大部分是顆粒的內(nèi)表面，孔結(jié)構(gòu)不同，傳質(zhì)過程也不同，尤其是內(nèi)擴散控制的反應，孔結(jié)構(gòu)直接與表面利用率有關(guān)，為此催化劑的活性還與表面利用率有關(guān)?？傊缺砻骐m不能直接表征催化劑的活性，卻能相對反映催化劑活性的高低，是催化劑基本性質(zhì)之一。9．什么是催化劑的堆積密度？顆粒密度？真密度？答：催化劑的密度可分為以下幾種含義不同的密度：⑴。堆積密度，⑵。顆粒密度，⑶。真密度。堆積密度是指單位堆積體積的物質(zhì)具有的質(zhì)量數(shù)：ρ堆=m/V堆=m/（V隙+V孔+V真）顆粒密度是指單位顆粒體積的物質(zhì)具有的質(zhì)量數(shù)：ρ顆=m/（V孔+V真）=m/（V堆-V隙）真密度是指單位骨架體積的物質(zhì)具有的質(zhì)量數(shù)：ρ真=m/V真在工業(yè)應用中，一般采用堆積密度即裝填密度來表示催化劑的密度。10．催化劑的孔分布、比孔容及對催化反應有什么影響？答：1克催化劑顆粒內(nèi)部所有孔體積的總和稱為比孔容（ml/g）。V～孔=V孔/m=1/ρ顆–1/ρ真孔分布指孔容按孔徑大小不同而分布的情況，由此來決定催化劑中所包含大孔、過度孔和細孔的數(shù)量和分布。一般情況下，孔徑大于200nm的孔稱為大孔，孔徑小于10nm的孔稱為細孔，孔徑為10～２00nm的孔徑稱為過度孔。對某一催化反應有相應最佳孔結(jié)構(gòu)：⑴。當反應為動力學控制時，具有小孔大比表面的催化劑對活性有利。⑵。當內(nèi)擴散控制時，催化劑的最優(yōu)孔徑應等于反應物或生成物分子的平均自由徑。常壓下為100nm左右，300atm下為1nm左右；⑶。對于較大的有機化合物分子，則根據(jù)反應物或生成物分子的大小決定催化劑的最優(yōu)孔分布。另外，孔結(jié)構(gòu)也對催化劑的選擇性及催化劑的強度有一定的影響。10．催化劑的化學結(jié)構(gòu)按其催化作用分哪幾類？答：工業(yè)催化劑大多不是單一的化合物，而是多種化合物組成的，按其在催化反應中所起的作用可分為主活性組分、助劑和載體三部分。1．主活性組分是催化劑中起主要催化作用的組分。2．助劑添加到催化劑中用來提高主活性組分的催化性能，提高催化劑的選擇性或熱穩(wěn)定性。按其作用機理分為結(jié)構(gòu)性助劑和調(diào)變性助劑。結(jié)構(gòu)性助劑作用是增大比表面，提高催化劑熱穩(wěn)定性及主活性組分的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。調(diào)變性助劑作用是改變主活性組分的電子結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)或晶型結(jié)構(gòu)，從而提高主活性組分的活性和選擇性。⑶．載體是負載活性組分并具有足夠的機械強度的多孔性物質(zhì)。其作用是：作為擔載主活性組分的骨架，增大活性比表面，改善催化劑的導熱性能以及增加催化劑的抗毒性，有時載體與活性組分間發(fā)生相互作用生成固溶體和尖晶石等，改變結(jié)合形態(tài)或晶體結(jié)構(gòu)，載體還可通過負載不同功能的活性組分制取多功能催化劑。11．氣-固相催化反應的步驟是什么？答：氣體分子在催化劑表面上起反應，必須經(jīng)過以下七個步驟：1．反應物分子由氣體相向催化劑的外表面擴散（外擴散）2．反應物分子由外表面向內(nèi)表面擴散（內(nèi)擴散）3．反應物吸附在表面上4．反應物在表面上進行化學反應，生成產(chǎn)物5．產(chǎn)物從表面上解吸6．產(chǎn)物從內(nèi)表面向外表面擴散（內(nèi)擴散）7．產(chǎn)物從外表面向氣體相擴散（外擴散）在穩(wěn)定狀態(tài)下，反應速度的大小受其中速度最慢的步驟控制。一般在高溫、低流速、大粒度催化劑下可能為擴散控制，而在低溫、高流速、小粒度下可能轉(zhuǎn)化為動力學控制。12．催化劑更換原則有哪