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催化劑的宏觀性質(zhì)

 形狀和粒度

（1）幾何形狀

      固體催化劑的幾何形狀隨制備方法及成型條件不同而有所不同。常見的催化劑形狀是球狀、條狀、柱狀、三葉草狀、片狀、齒球狀，還有網(wǎng)狀、粉末狀、微球狀、纖維狀、蜂窩狀及無規(guī)顆粒等。幾何尺寸有小至幾個微米，大到幾十毫米不等。催化劑成型顆粒的形狀及大小，一般是根據(jù)制備催化劑的原料性質(zhì)及工業(yè)生產(chǎn)所用反應(yīng)器要求確定的。固定床反應(yīng)器常采用球狀、圓柱狀、三葉草狀及片狀催化劑；流化床反應(yīng)器常采用直徑20～150μm或更大粒徑的微球催化劑，移動床反應(yīng)器常采用直徑2～4mm或更大直徑的球形催化劑；懸浮床反應(yīng)器則要求顆粒在液體中易懸浮循環(huán)流動，常采用微米級顆粒催化劑。

具有合適幾何形狀和尺寸的理想催化劑，應(yīng)使流體通過由它構(gòu)成的床層時，阻力小并呈均勻的流動分布，以獲得較好的傳熱傳質(zhì)效果。

   試驗表明，流體通過固體顆粒床層的壓力降Δp可用下式表示：

Δp=2fmLG2(1-?)3-ndpds3-ng?3ρF                        (1-1)

式中 fm-阻力系數(shù)，其大小主要決定于雷諾數(shù)Re；

L-床層高度，m；

G-流體質(zhì)量流速，kg/s?m2;

ε-床層自由空隙率，％；

dp-顆粒當量直徑，m；

g-重力加速度，9.81m/s2;

PF-流體密度，kg/m3;

n-運動狀態(tài)指數(shù)，當Re<10,，呈滯流時，n=1，當10<Re<200，呈過渡流時， n=1.6，當Re>200，呈湍流時，n＝1.9（見圖1-6);

ф-顆粒形狀系數(shù)，指球形顆粒外表面積s與等體積任意形狀顆粒外表面積sp之比，即?s=ssp，用它表示顆粒球狀化的程度，當顆粒為球形時， ?s=1，當呈其他形狀時，?s<1，如圖1-7、圖1-8所示。

      如果其他因素不變，則阻力系數(shù)fm僅為雷諾數(shù)Re的函數(shù)。如圖1-9所示，在滯流區(qū)，fmn與Re成正比；在湍流區(qū)，fm與Re的0.1次方成反比。根據(jù)這種依賴關(guān)系，滯流區(qū)內(nèi)的Δp與dp的二次方成反比，過渡區(qū)內(nèi)的Δp與dp的1.4次方成反比，湍流區(qū)內(nèi)的Δp與dp的1.1次方成反比。由此可見，如果從降低床層的壓力降角度考慮，應(yīng)當盡量選用直徑大的顆粒，以減少動力消耗。

      在顆粒體積相等的狀況下，球形顆粒的外表面積為最小，Φ。值最大(?s=1)，床層阻力最小。所以，如按床層阻力最小的原則考慮，應(yīng)當使用球形催化劑。但從內(nèi)表面利用率考慮，內(nèi)表面利用率還與單位體積的外表面積成正比。如表1-8所示，當顆粒外徑相同時，球體、圓柱體(d=h)和立方體單位體積的外表面積相等，而環(huán)柱體(d=2h=2d0)則最大，所以環(huán)柱體可以獲得最高的內(nèi)表面利用率。因此，如從表面積利用率來考慮，應(yīng)當選用環(huán)柱體催化劑。

                                                               表1-8 顆粒形狀及其單位體積的外表面積

形狀	外表面積	體積	外表面積／體積
球體（d）	πd2	πd36	6d
圓柱體(d=h)	32πd2	πd34	6d
立方體	6d2	d3	6d
環(huán)柱體	158πd2	316πd3	10d

①d0--環(huán)柱體內(nèi)徑。

另一方面，由式（1-1）可以看出，床層自由空隙率ε的指數(shù)越大，對壓力降Δp的影響也越大。相比之下， dp、?s對Δp的影響遠小于ε的影響。表1-9所示數(shù)據(jù)證實了上述看法。即ε提高約1倍，Δp相對減少4倍以上，而dp、?s提高同樣倍數(shù)時，Δp只相對減少1倍左右。所以，影響Δp的各種因素中，以ε為最主要，而環(huán)柱體顆粒床層的ε值最大，其Δp值應(yīng)最小。

                                                                     

                                                                           表1-9 ε對Δp值的影響

自由空隙率ε	0.35	0.40	0.45	0.50	0.55	0.60
Δp相對減少值	1.00	1.50	2.10	2.90	3.90	5.00

綜上所述，在開發(fā)一種工業(yè)催化劑時，選擇催化劑的幾何形狀及尺寸，不但要考慮到催化劑的表面利用率，而且還要從催化劑顆粒形狀的制造難易、床層阻力大小、動力消耗、反應(yīng)器形式等綜合加以考慮。

（2）粒度

       催化劑的粒度大小既與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及單元設(shè)備的生產(chǎn)能力有關(guān)，還取決于催化反應(yīng)的宏觀動力學。例如，管式反應(yīng)器為降低反應(yīng)床的阻力降，可采用粒度較大的環(huán)狀催化劑。當反應(yīng)速率受內(nèi)擴散控制時，一般就選擇粒度較小的催化劑，以提高內(nèi)表面的利用率。工業(yè)用球形催化劑以1～20mm居多，其中以大于3mm的應(yīng)用較廣。條狀催化劑常用直徑1~6mm 長為5～20mm。圓柱狀催化劑常用直徑2～25mm，高與直徑大體相同，圓片狀催化劑直徑常為2～10mm。無規(guī)顆粒則常為8～14目至2～4目（相當于1.17～9.5mm）。流化床用催化劑果粒一般為小于100μm的微球，顆粒過大，則流化性能較差，顆粒過細易由床層中的內(nèi)旋分離器中跑出。如乙烯氧氯化制二氯乙烷反應(yīng)用流化床催化劑顆粒平均粒度為40～80μm。

產(chǎn)品展示

產(chǎn)品詳情：

      SSC-DPTC雙光路光熱催化系統(tǒng)，適用于光熱協(xié)同催化、光催化催化劑的評價及篩選，可用于光催化的反應(yīng)動力學、反應(yīng)歷程等方面的研究。

主要應(yīng)用到高溫光熱催化反應(yīng)，光熱協(xié)同催化，具體可用于半導體材料的合成燒結(jié)、催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評價、光解水制氫、光解水制氧、二氧化碳還原、氣相光催化、甲醛氣體的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等領(lǐng)域。

       SSC-DPTC雙光路光熱催化系統(tǒng)（<5MPa）為一套用于完成催化劑活性評價及篩選的固定床光熱反應(yīng)裝置，適用于氣體、液體或氣液同時進料；氣固、液固、氣液固反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、氣相流量、液相流量的自動控制，反應(yīng)溫度能夠?qū)崿F(xiàn)程序控制升溫（線性升溫），通過程序升溫設(shè)定實驗溫度的升溫時間和保溫時間，配合GC等分析儀器對不同壓力、溫度下的實驗產(chǎn)物進行階段性在線檢測分析。

系統(tǒng)優(yōu)勢：

1)    系統(tǒng)中的減壓系統(tǒng)，可與反應(yīng)氣鋼瓶直接連接，管路配有比例卸荷閥、高精度壓力表及壓力傳感器，所有溫度控制點、壓力監(jiān)測點均配有超溫、超壓報警，自動聯(lián)鎖保護。

2)    進料系統(tǒng)，通入不同的氣體時，可在流量系數(shù)表選擇或輸入對應(yīng)的氣體流量系數(shù)，實現(xiàn)氣體種類的多樣性和準確性。

3)    夾層控溫標氣模塊，耐壓管體內(nèi)甲苯、乙醇等反應(yīng)液體，通入反應(yīng)氣或惰性氣體進入模塊，將ppm級的有效氣體帶入反應(yīng)器中，通過水浴循環(huán)水機控制模塊溫度進而控制氣體的濃度；從而大大降低實驗成本，解決標氣貴的難題。

4)    恒壓系統(tǒng)，配合低壓、高壓雙壓力系統(tǒng)使用，根據(jù)實驗壓力選擇對應(yīng)的壓力系統(tǒng)，為催化劑提供穩(wěn)定精準的、穩(wěn)定的實驗環(huán)境。

5)    系統(tǒng)控制全部采用PLC軟件自動化控制，實時監(jiān)控反應(yīng)過程，自動化處理數(shù)據(jù)，并提供全套實驗方案。屏幕采用工控觸屏PLC，可以根據(jù)需求隨時更改使用方案。鑫視科shinsco提供氣相色譜儀、液相色譜儀、電化學工作站、TPR、TPD、SPV、TPV、拉曼等測試分析儀器。

6)    系統(tǒng)集進料系統(tǒng)、恒壓系統(tǒng)、穩(wěn)流系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)物收集系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)于一體。