催化剂工程设计论文

催化剂工程进展评述

杨闯

（北京化工大学，北京 102200）

摘要：催化剂工程是一门比较前言的新学科，在推动化学产业及其他工业产业的发展中有举足轻重的地位。在基于工业催化剂的生产制造、评价测试、设计开发和操作使用上，它涉及到多学科的交叉渗透。随着现代物理手段和电子计算机的介入，已经取得了新的发展。为了更好地认识和掌握该学科，促进催化剂在工业中应用，有必要研究其当前的的发展状况。

关键字：催化剂工程；评价测试；设计开发；操作使用；工业催化剂

The Reviewed of Catalyst Engineering Progress

Yang Chuang

（Beijing University of Chemical Technology，Beijing 102200，China）

Abstract:Catalyst engineering is a comparative introduction of new discipline,and has a pivotal position in the development of the chemical industry and other industries .Based on the industrial catalyst evaluation test,design and development, and the use of operation,catalyst engineering involves multi-discipline cross penetration.With the intervention of modern physical means and computer,it has made a new development.In order to better understand and master the discipline,and promote the application of catalyst in industry ,it is necessary to study its current development situation.

Key words：catalyst engineering;evaluation test；design and development；the use of operation；industrial catalyst

引言

20世纪下半叶以来，催化剂科学和技术飞速发展，催化剂的更新换代日新月异，新型催化剂已经渗透到石油炼制工业、化学工业、高分子材料工业、生物化学工业、食品工业、医药工业以及环境保护产业的绝大部分工艺过程中[1]。

经典的催化科学涵盖面广，然而，应用于化工生产的催化科学适于将其研究领域划分为工业催化剂和催化剂工程两个不同层次的子领域。前者偏重于工艺和普及，后者重于工艺和提高。目前，催化剂工程仍然是一门前言新学科，它立足于经典催化剂科学和化学动力学、化学反应工程学、计算机应用化学以及表面物理化学等多学科的交界面上，以工业催化剂的制造生产、评价测试、设计开发、操作使用等工程问题为其研究对象[2]，是化工行业专门人才所必备的基本知识。由于现代物理手段的介入，以及电子计算机用于化工催化，已经大大帮助了人们认清催化剂现象背后的物理化学本质，从而充实了催化剂理论的准确性以及预见性，并且大大提高了工业催化剂设计开发的速度、质量和效益，同时使之由长期以来的盲目定型试探，向精确的定量计算转化，进而由技艺型向科学型转化，这一发展形式已使人们看到了化工催化这一革命性转变的前兆。

需要指出的是，催化剂工程与我们所熟悉的化学反应工程既有联系又有区别。前者以研究反应器中运转的催化剂为主，后者则以研究工业反应器为主。一旦定型的工业反应器，其结构往往相对稳定，更新较慢。然而，催化剂定型生产后，换代开发却相当的频繁，随之而来的装置扩容、挖潜、节能、增效等成果就源源而来，而若将两者有机的结合起来，将会产生更多更好的研究成果来。

在本文中将从催化剂的制造生产、评价测试、设计开发和操作使用等方面的进展对催化剂工程进行简单评述。

1、催化剂的制造生产

工业催化剂与所有化工产品一样，要从制备、性质和应用这三个基本方面来对其加以研究，而其性能主要取决于其化学组成和物理结构。因此，由于制备方法的不同，尽管成分、用量完全相同，所制造出来的催化剂性能仍有可能差异很大。在化学工业中，可以用作催化剂的材料很多，包括多种无机材料、分子筛复盐为代表的有机离子交换剂、金属有机化合物以及生物酶等。在催化剂生产和科学研究实践中，通常要用到一系列化学的、物理的和机械的专门操作方法来制备，是溶解、沉淀、浸渍、离子交换、过滤、干燥、成型、焙烧等单元操作的的结合。目前，应用最广的多相催化剂常以传统的制备方法为主[3]。

例如，乙烯氧化制环氧乙烷用的单质银催化剂，具有优良的离子交换、吸附和催化性能的分子筛等等，通常使用沉淀法；

图1 高硅钠型分子筛合成工艺流程Fig.1 High silica sodium type molecular sieve

synthesis process

图2 浸渍型水蒸气转化镍催化剂生产流程Fig.2 Nickel immersion type steam reforming catalyst

in the manufacture process

乙炔制醋酸乙烯的错酸锌（或活性炭），石油化工生产中所用的铂/氧化铝重整催化剂，合成氨一炼油工艺中应用广泛的浸渍型镍系水蒸气转化催化剂等等，通常使用浸渍法；固体磷酸催化剂，转化吸收型锌锰系脱硫催化剂等等，通常使用混合法；用于氨合成的熔铁催化剂，烃类加氢及费-托合成烃催化剂，骨架铜催化剂等等，通常使用热熔法；新型的AgBr/Ag2WO4复合光催化剂，强酸性阳离子交换树脂ClO2催化剂等，通常使用离子交换法[4]。

图3 骨架镍催化剂生产流程

Fig.3 Skeleton nickel catalyst in the manufacture

process

催化剂的成型是制备催化剂的重要程序，成型方法的选择主要考虑成型前物料的物理性质和成型后催化剂的物理、化学性质。为加工不同形状和性质的催化剂，有不同的成型设备和成型方法。通常使用的方法包括压片成型、挤条成型、油中成型、喷雾成型和转动成型等[3,4]。

近年来，以催化剂制备方法为核心的催化剂技术正不断发展着，并产生了一些与传统制备方法不同的新方法和技术。

随着新型无机纳米材料技术的发展，纳米材料与催化剂的结合在固体催化剂的制备上已经得到了关注。比如纯铜纳米催化剂的制备。将这种超细铜粒子用作催化剂，将对气固相反应表面结合能的增大有重要影响[5-6]。还有凝胶法和微乳化技术在某些超细微粒的新型催化剂也得到了发展。比如，凝胶法制取特种陶瓷PbTiO3的超细粉末前驱体所需的TiO2与PbO粉，微乳化技术[7]制备氧化硅负载的高活性铑催化剂。其他的新方法还有气相沉积法[8]，膜分离技术与催化反应结合的膜催化剂[9,10]和化学镀等。