失活

工業催化劑要在反應器中長期運轉，儘管從反應式看，催化劑並不消耗，但在長期運轉過程中總會有這樣那樣的原因使催化劑活性降低達不到預定的轉化率或選擇性。最主要的原因有反應氣流中的雜質與活性中心作用引起的中毒；催化劑表面積炭遮蓋了活性中心使其不能發揮作用；在反應的高温下小的金屬離子燒結減小了活性表面積以及在反應過程中活性組分因流失而減少了應有的數量等。這種現象稱為催化劑失活。

催化劑有一定的使用壽命。一般催化劑開始使用時活性很高，經過很短時間後，活性便降到相對穩定值，該值能持續一段時間，是催化劑正常使用的時間範圍。催化劑和操作條件不同，穩定期是不同的，有的幾個月，有的可達3—5年。超過一定期限後，由於組成和結構改變等因素，催化劑逐漸失去活性。如果在很短時間就失去部分或全部活性，則屬於非正常失活，這種情況應防止。 ^[1] 

失活的類型和原因很複雜，大致可分為三類：

(1)結構變化 催化劑的物理結構在反應過程中發生變化，如晶型改變、細分散晶粒長大，顆粒燒結和載體粉化等，從而失去活性。這種失活是不可逆轉的。發生這種情況的主要原因是温度過高，也可能是氣體帶進雜質組分造成的。如二氧化硅為載體的釩催化劑在HF作用下，會造成催化劑粉化，活性下降。

(2)物理中毒 固體雜質如粉塵、炭等沉積在催化劑表面上遮蓋活性中心，使內擴散阻力增加，可導致活性下降。這種失活是雜質的物理作用引起的，清除雜質後，還可恢復大部分活性。石油化工催化反應中的“結炭”現象屬於物理中毒。另外，某些惰性氣體組分可能在催化劑表面上強吸附，佔據部分活性中心，使催化劑活性降低。當反應氣體中這部分組分減少時，還可脱附恢復催化劑活性。

(3)化學中毒 某些被吸附的氣體雜質分子(毒物)與催化劑活性物質發生不可逆反應，生成無活性物質，如硫、磷等化合物對銅、鋅．鎳等催化劑的毒害；或生成揮發性物質逸入氣相；或固定在催化劑表面，催化副反應，降低目的產物的選擇性。如石油原料中很少量的鎳、釩、鐵等毒物沉積在裂解催化劑上時，會增加氫和焦炭的產率，降低汽油產率。化學中毒引起的催化劑失活難以恢復，稱為永久性失活。 ^[2] 

催化劑失活對工業生產過程有重大影響，雖然已進行了大量的研究工作，但仍不充分。工業上現採用下列措施來防止和彌補催化劑失活，保證過程的正常運轉，提高過程的經濟效益。

（1）改進催化劑

為減少催化劑失活的可能性和延長更換催化劑的週期，國內外都在不斷改進催化劑配方和工藝，提供低温活性高、機械強度高、耐高温和抗毒物的催化劑。這些改進對催化劑維持穩定的活性，實現長週期運行起到了重要作用。

（2）採用“中期活性”或安全係數設計反應器

生產能力在反應器設計中必須保障。即要求在一定週期內，穩定地達到規定的產量和質量。這就必須合理地確定催化劑用量。然而，確定催化劑失活規律是很困難的。為可靠起見，在研究催化動力學時，採用工業上使用過的具有“中期活性”的催化劑，以獲得的動力學數據作為設計依據。這樣的設計相對可靠得多。然而，失活現象幹差萬別，各廠均不相同；即使是同一廠，不同時間情況也不同；同一時間，不同段位的催化劑也不同。為保障催化劑牀層在較長週期內有穩定的生產能力，有人對工業牀層失活做了概率統計，在此基礎上設計院就有一個催化劑各段位的安全係數(即在計算出的催化劑量的基礎上增加若干倍的係數，稱為安全係數)。這一方法儘管不算科學合理，然而卻是有效的。

（3）嚴格控制操作條件

在多數情況下，催化劑的失活都是由於操作條件控制不當引起的，如超温、進氣中毒物超指標等。為保證正常運行，必須做到以下各點：

充分淨化原料氣，避免毒物超指標進入催化牀層 如Cu，Zn—N：O，催化劑，必須保證原料氣中硫化物小於規定的指標，以保證催化劑的壽命。

嚴格控制操作温度，防止超温現象，減少活性組分結構變化，避免燒結、分解等造成的永久性失活。

必要的恢復活性處理 對物理變化造成暫時性中毒的催化劑，為保證催化劑的活性，必須進行恢復活性處理。如吸附水蒸氣而失活的催化劑，可在高温下通人幹空氣進行再生等。

（4）優化操作，以彌補失活造成的生產能力下降

由於催化劑緩慢失活，若仍然保持操作條件不變，產品產量或質量就達不到原設計的要求。為保障生產能力，隨着催化劑的逐漸失活，必須優化操作條件。其中最有效的方法是根據失活情況逐漸提高反應温度，以彌補失去的活性。對於單一可逆放熱反應，使用多段絕熱催化反應器時，可採用逐段最大轉化率法(又稱逐段最大温差法)，使每段催化牀都是在前段獲得最大轉化率條件下的獲得最大轉化率，整個催化牀層處於一定條件下的最佳狀態，達到最大生產能力。由前向後的序列調節，使處於前段的催化劑最先得到充分利用。 ^[2]