2.4.3 工业催化剂使用中的有关问题
在采用催化剂的化工生产中,如何正确地选择并使用催化剂是一个非常重要的问题,其关系到生产效率和效益。通常对工业催化剂的以下几种性能有一定的要求。
1.工业催化剂的使用性能指标
(1)活性系指在给定的温度、压力和反应物流量(或空速)下,催化剂使原料转化的能力。催化剂活性越高,则原料的转化率越高;在转化率及其他条件相同时,催化剂活性越高,则需要的反应温度越低。工业催化剂应有足够高的活性。一般用原料的转化率来表示催化剂的活性。
(2)选择性系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。选择性越高,生产单位量目的产物所消耗的原料定额越低,也越有利于产物的后处理,故工业催化剂的选择性应较高。当催化剂的活性与选择性难以两全其美时,若反应原料昂贵或产物分离很困难,宜选用选择性高的催化剂;若原料价廉易得或产物易分离,则可选用活性高的催化剂。一般用产物的选择性来表示催化剂的选择性。
(3)寿命系指其使用期限的长短,寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量,或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短,有的催化剂使用寿命可达数年,有的则只能使用数月。虽然理论上催化剂在反应前后化学性质和数量不变,可以反复使用,但实际上当生产运行一定时间后,催化剂性能会衰退,导致产品产量和质量均达不到要求的指标,此时,催化剂的使用寿命结束,应该更换催化剂。催化剂的寿命受以下几方面性能影响。
①化学稳定性。系指催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生变化的难易。在一定的温度、压力和反应组分长期作用下,有些催化剂的化学组成可能流失,有的化合状态变化,这些因素都会使催化剂的活性和选择性下降。
②热稳定性。系指催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。在热的作用下,催化剂中的一些物质可能发生晶型转变、微晶逐渐烧结、络合物分解、生物菌种和酶死亡等,这些变化导致催化剂性能衰退。
③机械稳定性。系指固体催化剂在反应条件下的强度是否足够。若反应中固体催化剂易破裂或粉化,使反应器内流体流动状况恶化,严重时发生堵塞,迫使生产非正常停工,经济损失重大。
④耐毒性。系指催化剂对有毒物质的抵抗力或耐受力。多数催化剂容易受到一些物质的毒害,中毒后的催化剂活性和选择性显著降低或完全失去,缩短了它的使用寿命。常见的毒物有砷、硫、氯的化合物及铅等重金属,不同催化剂的毒物是不同的。在有些反应中,特意加入某种物质去毒害催化剂中促进副反应的活性中心,从而提高了选择性。
(4)其他如廉价、易得、无毒、易分离等也是工业生产中选择催化剂的考虑因素。(https://www.daowen.com)
2.催化剂的活化
许多固体催化剂在出售时的状态一般是较稳定的,但这种稳定状态不具有催化性能,催化剂使用厂必须在反应前对其进行活化,使其转化成具有活性的状态。不同类型的催化剂要用不同的活化方法,有还原、氧化、硫化、酸化、热处理等,每种活化方法均有各自的活化条件和操作要求,应该严格按照操作规程进行活化,才能保证催化剂发挥良好的作用。如果活化操作失误,轻则使催化剂性能下降,重则使催化剂报废,经济损失巨大。
3.催化剂的失活和再生
引起催化剂失活的原因较多,对于络合催化剂,主要是超温,大多数配合物在250℃以上就分解而失活;对于生物催化剂,过热、化学物质和杂菌的污染、p H失调等均是失活的原因;对于固体催化剂,其失活原因主要有以下三点:①超温过热,使催化剂表面发生烧结、晶型转变或物相转变;②原料气中混有毒物杂质,使催化剂中毒;③有污垢覆盖催化剂表面。
催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。暂时性中毒是可逆的,当原料中除去毒物后,催化剂可逐渐恢复活性。永久性中毒则是不可逆的,不能再生。
催化剂积碳可通过烧碳实现催化剂再生。但无论是暂时性中毒后的再生还是积碳后的再生,均会引起催化剂结构的损伤,致使其活性下降。
因此,应严格控制操作条件,采用结构合理的反应器,使反应温度在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布,防止超温;反应原料中的毒物杂质应该预处理加以脱除,使毒物含量低于催化剂耐受值以下;在有析碳反应的体系中,应采用有利于防止析碳的反应条件,并选用抗碳性能高的催化剂。
4.催化剂的运输、贮存和装卸
催化剂一般价格较贵,要注意保护。在运输和贮存中应防止其受污染和破坏;固体催化剂在装填于反应器中时,要防止污染和破裂。装填要均匀,避免出现“架桥”现象,以防止反应工况恶化。许多催化剂在使用后、停工卸出之前,需要进行钝化处理,尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后,才能暴露于空气,否则遇空气会发生剧烈氧化自燃,烧坏催化剂和设备。