工业催化过程的机理
三水锰矿 / 2021-07-31
第二节工业催化过程的机理
工业上使用的固体催化剂，绝大多数是多孔的、直径为3～10毫米的颗粒，并具有较大的比表面积，从几个平方米到几百个平方米。很明显，催化剂颗粒的外表面积与颗粒内的表面积比起来是微不足道的。催化剂的全部表面催化剂粒子积，都具有同样的催化反应的能力，这意味着反应几乎全部是在内表面上进行的。因此要充分发挥颗粒内部表面的作用，就必须了解原料气体分子进入颗粒内部，并在那里进行反应，最后扩散出来的机理。
在催化剂上进行的物理和化学过程如图4-1所示。整个过程由七个阶段组成:
(1)反应物自气流向固体界面内扩散；
(2)反应物在化剂孔内的扩散；
(3)反应物在化剂内表面上的吸附；
(4)在催化剂内表面上进行反应；
(5)反应生成物在催化剂内表面上的脱附；
(6)生成物在催化剂孔内的扩；
(7)生成物从固体一气流界面向气流的扩散。
在上述七个阶段中，(1)和(7)两个阶段是反应物和生成物在催化剂颗粒外进行的扩散过程，这个区域叫外扩散区(2)和(6)两个阶段是在催化剂颗粒内部进行的扩散过程，这个区域叫做内扩散区;(3)(4)和(5)三个阶段，是在催化剂内表面上进行的化学过程，这个过程仅仅与催化剂的本性和反应温度有关，这个区域叫做化学动力学区。
对一个化学反应来说，如果原料分子能及时地传递到催化剂内孔的纵深处，在纵深处的浓度等于颗粒外表面和气流中的浓度时，那么反应在化学动力区进行。如果反应物在催化剂外表面的浓度等于气流中的浓度，但大于孔内纵深处的浓度，这时催化剂一部分内表面没有被充分地利用，而化学反应的速度就决定于反应物向内部扩散的速度。当反应物在化剂外表面的浓度小于气流中的浓度，并且在孔的纵深处趋于零时，则化学反应仅在催化剂的外表面上进行，其速度由外扩散速度决定，这时意味着催化剂的利用很不好，只有它的外表面被利用。
对某一化学反应来说，反应究竟在上述三个区城中哪一个区内进行，取决于许多因素，除反应温度、压力、反应物的浓度和空间速度外，就决定于催化剂的活性、颗粒大小、孔径和孔径分布。
由以上的分析可见，对一个工业催化剂来说，最好既具有足够大的比表面积，以供进行化学反应的需要，又具有合适的孔性结构，以利物质传递。还要设计合适的反应器，使操作尽可能地在最佳条件下进行。
在工业生产条件下，固定床催化剂的颗粒大小，是由许多因素决定的，其中主要的有催化剂内表面的利用和床层的压力降。当催化剂颗粒很小时，固然催化剂的内表面得到了比较充分的利用，但是随之带来的流体阻力迅速上升，床层压力降加，动力消耗也增加。所以工业固定床催化剂一般采用3～10米粒径。用
这颗粒的化剂，在生产条件下，催化剂的内表而通常都不能充分利用。
为了定量地表征化剂被利用的程度，以有效系数(E)表示。有效系数的意义是，在催化剂上实测的反应速度与当该催化剂颗粒内外具有相同的温度和浓度时所表现的反应速度之比。显然，当化剂内表面被完全利用时，Ef=1;而在其他条件下，总是Ef＜1。由此可见，Ef也可以定义为表面利用率。
由表4-2可见，化剂的有效系数，随着粒径的减小而增加，当粒径足够小时，有效系数才等于1。此外温度和压力对有效系数也有很大的影响;都随着温度和压力的升高而减小
第三节 对工业反应器的基本要求
工业催化反应器近十几年来有很大的发展。现在生产上采用的有各种各样的类型和结构。在均相催化过程里，通常采用槽型、塔型或管型的反应器。对于多相催化过程，由于固体催化剂的存在，传质和传热等因素使反应器的结构大大复杂化了。现在，大吨位的经济效率高的工业过程，只有采用连续的生产工艺オ是合理的，特别是气固相催化反应，由于气体的密度低，只有当反应气体与催化剂接触时间短至不超过几秒的时间是有利的。对于液固相催化反应，中小型生产规模有时采用间歇的生产方法，但对于大吨位产品的生产，采用连续的生产工艺，在通常的情况下更为有利。此外，随着化学工业许多产品向大吨位发展，反应器也必须相应的放大。这样，对催化反应器的结构，也提出更多更严格的要求。在大多数的情况下，反应器的结构应当保证提供对工艺所要求的最基本参数维持稳定的数值，主要的参数有:
(1)反应物与催化剂的接触时间
(2)在反应器的反应区内不同点的温度
(3)反应器中的压力
(4)反应物向催化剂表面的传递速度
(5)催化剂的活性。
当其他条件已经确定时，有一个最适的接触时间，如果了这个最适的接触时间，就会使过程的效率降低。在这些参数中，保证反应区内的温度是工业反应器设计中最重要也是最复杂的问题。因为大多数化学反应是吸热或放热的，要维持反应器内指定的温度，就必须及时的从反应区里取出或向反应器里供给热量。当化剂床层过热时，就可能产生催化剂的半融甚至烧结，致使活性降低，有时选择性也降低，床层温度低于最适温度时，转化率也降低。因此为了保证反应所要维持的度和有效的利用能量，工业上有各式各样的绝热的和具有热交換的反应器。
为了提高催化剂的有效系数，可采用气体沿反应器径向分布的所谓径向反应器。这时可应用径粒很小的催化剂，例如1～2毫米，而不致使床层的压力降增大。
当反应的热效应很大，或催化剂需要周期地再生时，可应用流化床反应器。
对各类反应器的基本要求，随着催化反应和催化剂的不同而异。但其中对所有工业反应器基本要求还是一样的，这些要求是：
（1）最大的操作强度
(2)最高的产品收率
(3)最小的流体阻力
(4)最有效的利用热能
(5)操作容易
(6)建设费用低
在以下的几节里，从催化剂的应用方面，简要地介绍工业上常用的几类催化反应器。
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