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1835年瑞典化学家J.J.Berzelius对由于某些物质的存在而能改变化学反应速度的现象定义为催化作用(Catalysis),称这种物质叫催化剂(Catalyst)。其来源于希腊文Kata,意即“完全地”,lyo意思是“解放”,催化作用就是催化剂使反应物键解放,从而大大地改变反应速度。1894年德国化学家F.W.Ostwald所下的定义是“任何物质”,它不参加到化学反应的最终产物中去,而只是改变这一反应的速率就称为催化剂。 化工辞典对催化剂解释为“一类能够改变化学反应速度而本身不进入最终产物分子组成中的物质。催化剂不能改变热力学平衡,只能影响反应过程达到平衡的速度。加快反应速度的催化剂称正催化剂,减慢者称负催化剂”。 所谓工业催化剂则是特指具有工业生产实际意义的催化剂,它们必须能适用于大规模工业生产过程,可在工厂生产所控制的压力、温度、反应物流体速度、接触时间和原料中含有一定杂质的实际操作条件下长期运转。工业催化剂必须具有能满足工业生产所要求的活性(activity)、选择性(selectivity)和耐热波动、耐毒物的稳定性(stability)。此外工业催化剂还必须具有能满足反应器所要求的外形与颗粒度大小的阻力、耐磨蚀性、抗冲击和抗压碎强度。对强放热或吸热反应用催化剂还要求具有良好的导热性能与比热,以减少催化剂颗粒内的温度梯度与催化剂床层的轴向与径向温差,防止催化剂过热失活。对某些因中毒或碳沉积而部分失活或选择性下降的催化剂可用简单方法得以再生。恢复到原有活性及选择性水平,以保证催化剂具有相当长的使用寿命。 催化剂可按化学类型、化学组成、反应类型及市场类型来划分。按化学类型可分成贵金属、分子筛、酸碱、酶、茂金属、氧化物、硫化物等催化剂。按化学组成则可分成银、铜、镍、钯、铁等。日本触媒学会所编的《触媒工学讲座》丛书第十卷尾崎萃主编的《元素别触媒便览》就是按催化剂组成分类编写的一本手册。按反应类型即催化剂功能分类则可划分成水解与水合、脱水、氧化、加氢、脱氢、聚合、酰化、卤化等,日本京都大学多罗间公雄研究室编的《反应别触媒分类表》就是按反应分类查找催化剂组成的手册。若按市场分类则可性划分成炼油、化工和环保三类。目前国内外均以功能划分为主,兼顾市场类型及应用产业。 美国工业催化剂分类有斯坦福研究所(SRI)和战略分析公司(Strategic Analysis)两种分类方法,但内容大同小异。采用类似分类的还有催化剂咨询公司(Catalyst Consultants)及Frest & Sullivan公司。美国工业催化剂的分类可示为图 I -1。
美国战略分析公司分类法未设置化学加工类的烷基化催化剂而代之以有机合成催化剂。此外美国石油与天然气杂志(Oil & Gas Journal)1984年起,每年对石油炼制催化剂进行评述,它将炼油催化剂细分成19类,1988年还将石油化工催化剂分成3大类19小类。 日本通商产业省为统计日本全国催化剂产量、销量及销售额,采用日本触媒工业协会分类法,将工业催化剂分为9大类,如图I-2所示。
催化剂的基本要求 工业催化剂必须具有业生产实际意义,可用于业规模的生产装置上。它们应该可在生产实际操作的压力、温度、反应物浓度、流速以及接触时间的条件下能够长期正常运行,并能保持良好的活性和选择性,对超温、毒物具有很好的稳定性能。在催化剂的整个寿命期内,能保持良好的抗压碎强度,耐气流冲刷而不粉化。如果由于副反应导致的析炭或某些毒害物质的影响而使催化活性衰退,可用较为简便的方法在反应器内或器外进行再生,使活性得以恢复。 |
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