催化剂的宏观性质

 形状和粒度

（1）几何形状

      固体催化剂的几何形状随制备方法及成型条件不同而有所不同。常见的催化剂形状是球状、条状、柱状、三叶草状、片状、齿球状，还有网状、粉末状、微球状、纤维状、蜂窝状及无规颗粒等。几何尺寸有小至几个微米，大到几十毫米不等。催化剂成型颗粒的形状及大小，一般是根据制备催化剂的原料性质及工业生产所用反应器要求确定的。固定床反应器常采用球状、圆柱状、三叶草状及片状催化剂；流化床反应器常采用直径20～150μm或更大粒径的微球催化剂，移动床反应器常采用直径2～4mm或更大直径的球形催化剂；悬浮床反应器则要求颗粒在液体中易悬浮循环流动，常采用微米级颗粒催化剂。

具有合适几何形状和尺寸的理想催化剂，应使流体通过由它构成的床层时，阻力小并呈均匀的流动分布，以获得较好的传热传质效果。

   试验表明，流体通过固体颗粒床层的压力降Δp可用下式表示：

Δp=2fmLG2(1-ϵ)3-ndpds3-ngϵ3ρF                        (1-1)

式中 fm-阻力系数，其大小主要决定于雷诺数Re；

L-床层高度，m；

G-流体质量流速，kg/s⋅m2;

ε-床层自由空隙率，％；

dp-颗粒当量直径，m；

g-重力加速度，9.81m/s2;

PF-流体密度，kg/m3;

n-运动状态指数，当Re<10,，呈滞流时，n=1，当10<Re<200，呈过渡流时， n=1.6，当Re>200，呈湍流时，n＝1.9（见图1-6);

ф-颗粒形状系数，指球形颗粒外表面积s与等体积任意形状颗粒外表面积sp之比，即ϕs=ssp，用它表示颗粒球状化的程度，当颗粒为球形时， ϕs=1，当呈其他形状时，ϕs<1，如图1-7、图1-8所示。

      如果其他因素不变，则阻力系数fm仅为雷诺数Re的函数。如图1-9所示，在滞流区，fmn与Re成正比；在湍流区，fm与Re的0.1次方成反比。根据这种依赖关系，滞流区内的Δp与dp的二次方成反比，过渡区内的Δp与dp的1.4次方成反比，湍流区内的Δp与dp的1.1次方成反比。由此可见，如果从降低床层的压力降角度考虑，应当尽量选用直径大的颗粒，以减少动力消耗。

      在颗粒体积相等的状况下，球形颗粒的外表面积为最小，Φ。值最大(ϕs=1)，床层阻力最小。所以，如按床层阻力最小的原则考虑，应当使用球形催化剂。但从内表面利用率考虑，内表面利用率还与单位体积的外表面积成正比。如表1-8所示，当颗粒外径相同时，球体、圆柱体(d=h)和立方体单位体积的外表面积相等，而环柱体(d=2h=2d0)则最大，所以环柱体可以获得最高的内表面利用率。因此，如从表面积利用率来考虑，应当选用环柱体催化剂。

                                                               表1-8 颗粒形状及其单位体积的外表面积

形状	外表面积	体积	外表面积／体积
球体（d）	πd2	πd36	6d
圆柱体(d=h)	32πd2	πd34	6d
立方体	6d2	d3	6d
环柱体	158πd2	316πd3	10d

①d0--环柱体内径。

另一方面，由式（1-1）可以看出，床层自由空隙率ε的指数越大，对压力降Δp的影响也越大。相比之下， dp、ϕs对Δp的影响远小于ε的影响。表1-9所示数据证实了上述看法。即ε提高约1倍，Δp相对减少4倍以上，而dp、ϕs提高同样倍数时，Δp只相对减少1倍左右。所以，影响Δp的各种因素中，以ε为最主要，而环柱体颗粒床层的ε值最大，其Δp值应最小。

                                                                     

                                                                           表1-9 ε对Δp值的影响

自由空隙率ε	0.35	0.40	0.45	0.50	0.55	0.60
Δp相对减少值	1.00	1.50	2.10	2.90	3.90	5.00

综上所述，在开发一种工业催化剂时，选择催化剂的几何形状及尺寸，不但要考虑到催化剂的表面利用率，而且还要从催化剂颗粒形状的制造难易、床层阻力大小、动力消耗、反应器形式等综合加以考虑。

（2）粒度

       催化剂的粒度大小既与反应器的结构及单元设备的生产能力有关，还取决于催化反应的宏观动力学。例如，管式反应器为降低反应床的阻力降，可采用粒度较大的环状催化剂。当反应速率受内扩散控制时，一般就选择粒度较小的催化剂，以提高内表面的利用率。工业用球形催化剂以1～20mm居多，其中以大于3mm的应用较广。条状催化剂常用直径1~6mm 长为5～20mm。圆柱状催化剂常用直径2～25mm，高与直径大体相同，圆片状催化剂直径常为2～10mm。无规颗粒则常为8～14目至2～4目（相当于1.17～9.5mm）。流化床用催化剂果粒一般为小于100μm的微球，颗粒过大，则流化性能较差，颗粒过细易由床层中的内旋分离器中跑出。如乙烯氧氯化制二氯乙烷反应用流化床催化剂颗粒平均粒度为40～80μm。

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