工業催化劑特性評定

指工業催化劑的使用特性及與之有關的物理性質，它們是決定催化劑優劣的指標。在工業催化劑中，用量最大的是固體催化劑，常用的評價指標如下：

物理性質　與催化性能有關的主要是催化劑的外表面、內部結構、機械性能和熱性能。

形狀和尺寸 　在化工生產用反應器中，它們直接影響流體流動，包括流體在牀層中的分佈和流過牀層時的壓力降等工程特性，例如在固定牀反應器中用球狀催化劑比用不規則形狀或錠狀催化劑的壓力降小，而環境保護用的蜂窩狀催化劑又比球狀催化劑的壓力降小(圖1)。單位質量的催化劑,因形狀和尺寸不同，具有不同的外表面積。從而影響物質從流體內向單位重量催化劑的外表面傳遞的數量，這對於受外擴散控制的反應系統是重要的（圖2）。圖中陰影區域為常用球狀催化劑的粒徑範圍和常用蜂窩狀催化劑的孔道數密度範圍。同時，顆粒尺寸不同，分子在催化劑顆粒的孔隙中進行擴散的距離也不等，這對於內擴散控制的反應系統也同樣重要。在流化牀中，還要考慮粒度的分佈。後者常用催化劑的形狀係數和當量直徑來描述。 　密度 　分為真密度、顆粒密度和堆密度。真密度指顆粒中固體物質的密度(g/ml)。顆粒密度是指包括顆粒孔隙容積在內所求出的密度(g/ml)。堆密度是單位容積反應器中填裝的催化劑質量，它受催化劑的形狀和尺寸的影響通常以kg/l表示，它直接影響反應器的利用率。

比表面積 　指每克催化劑的表面積(m2)。催化劑比表面的大小，尤其是活性組分的比表面積值常直接影響催化活性。

孔隙構造 　多數催化劑為多孔物質，表面積大部分為孔隙中的孔壁所提供的內表面積，反應器中物料分子必須克服微孔中的內擴散阻力,才能進入或逸出孔隙,導致在孔隙中出現濃度梯度，並且影響分子在催化劑上的停留時間,從而使催化活性和選擇性受到影響,稱內擴散效應。通常用催化劑效率係數（在該催化劑上的反應速度常數與不存在內擴散效應時的反應速度常數之比值），來表達孔結構的影響。可用孔容(ml/g)、孔隙率（%）、平均孔徑 (?)來描述孔隙構造。由於催化劑中的孔徑常不一致，還必須瞭解孔徑分佈。同一催化劑，若孔隙率高，則顆粒密度和堆密度降低，在催化劑生產與研製中往往應權衡其利弊。

機械強度 　主要表現為催化劑耐壓強度和催化劑耐磨強度，前者用kg/cm2表示，後者在各廠家中均有特定的測試方法。機械強度差的催化劑，在裝填運轉過程中容易破損和流失,從而影響反應器中流體流動的情況,造成壓力降增高，流體分佈不均，甚至不能正常操作。緻密的催化劑常有較高的機械強度，但孔隙率下降。

熱性質 　催化劑的熱導率影響反應牀中的熱量傳遞，對於強放熱反應、高熱導率的催化劑，可以減少催化劑局部過熱，減少顆粒內部的温度梯度。熱容與熱膨脹係數是重要的熱性質，熱膨脹係數低的催化劑更能耐受開工和停工階段的熱衝擊，催化劑不致破碎。

使用特性　與催化劑本身的催化性能、作業條件、壽命、費用、能耗和對環境的影響等有關。

催化性能 　催化活性和催化劑選擇性是催化性能的兩個重要標誌。在工業應用上常使用單程轉化率來描述活性，即原料通過催化牀一次，催化劑使原料轉變的百分率。選擇性則用消耗的原料中轉變為目的產物的百分率表示。轉化率和選擇性常為相互制約的兩種特性，多數的催化劑在高轉化率條件下，選擇性往往下降。另一標誌是催化劑的生產能力，可用單位容積（或質量）的催化劑在單位時間內生成的目的產物數量來表達，稱時空得量。

作業條件 　催化劑的作業條件包括原料的組成、反應温度、壓力、投料速度等，後者常用空間速度表示，即每單位容積催化劑每小時投入的反應物的容積數。高活性的催化劑可以在高空間速度條件下作業。對於特定的催化反應系統，作業條件對催化劑的活性、選擇性、生產能力、壽命等有特定的影響規律。苛刻的作業條件（如高温、高壓、高純度的原料）都會增加投資與操作費用。催化劑若有較寬的作業條件範圍，則可以減少反應器設計和過程控制的難度。

①　毒質及其最高容許濃度　毒質是指原料中會使催化劑中毒的某些雜質，為延長催化劑壽命，原料需提純到一定的純度。例如用於催化加氫的多數金屬催化劑，原料中的硫含量均不能超過 ppm級。若催化劑具有較好的抗毒性，即容許的毒質濃度較高，則可減少提純原料所需的費用，並延長生產裝備的開工週期。

②　耐熱性　在高温條件下,催化劑受熱而衰退,通常用不致引起催化劑不可逆的衰退所能承受的最高温度表示其耐熱性。正常作業温度和能耐受的最高温度間之差值愈大，則作業愈安全。有些催化劑在使用過程中活性逐漸衰退，可用逐步升高作業温度的方法來彌補活性損失。通常催化劑有規定的升温速率和温升極限。

③　開工方法　正確的開工方法使催化劑進入正常的使用狀態。如未還原的鐵系合成氨催化劑，開工階段要還原；一氧化碳變換催化劑在開工時需經歷釋放硫的階段;加氫精制用的鈷－鉬催化劑要經歷硫化階段;否則在開工階段不能獲得正常的產品或達到規定的產量。如在合成氨工業中採用已預還原的鐵催化劑，則可縮短開工階段。

④　再生方法　需要頻繁再生的催化劑不宜在固定牀反應器中作業。再生條件與反應條件差別很大時，也難以在同一反應器中進行。（見催化劑再生）

壽命 　優良的催化劑要求具有長壽命，不僅是因為更換催化劑所需之費用，而且更換要花費工時，使生產能力遭到損失。（見催化劑壽命）

催化劑費用 　可用生產單位質量（或容積）的產品所耗用催化劑的費用來表示，它同時與催化劑生產成本和催化效能、催化劑壽命有關。對於使用催化劑的工業生產過程，催化劑費用往往只佔總投資中的很小一部分。更重要的是從使用催化劑所導致生產過程的經濟效益的提高來評價催化劑。

能耗 　特定的催化劑要在特定的温度條件下作業，為此而進行的加熱和冷卻均需耗能；反應物通過催化牀、並使未反應的原料循環也需耗能；若需在高壓條件下作業，則能耗更大。生產中，不僅要考慮催化反應過程中所需能耗，還必須針對特定的催化劑，為將原料提純和從反應混合物分離出目的產物所需的能耗。對於使用催化劑的生產過程，尤其是大規模生產過程，能耗是評價所用催化劑的重要指標。

對環境的影響 　催化過程的排放物和所產生的副產物可能造成污染。催化劑再生時及生產催化劑時亦可能造成污染，要考慮這些污染對環境的影響及治理污染的費用。

參考書目

S.W.韋勒主編，南京化學工業公司研究院譯：《催化劑測試方法的標準化》，化學工業出版社，北京，1981。（S.W.Weller，Standardization of Catalyst Test Methods,American Institute of Chemical Engineers,New York,1974.）