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 ProgressYang 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 sievesynthesis 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 catalystin 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 manufactureprocess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。
图4 微乳化技术制备Rh/SiO2催化剂流程Fig.4 Micro-emulsion technology preparation ofRh/SiO2 catalyst图5膜催化剂原理示意图Fig.5 Membrane catalyst principle2、催化剂性能的评价、测试和表征一般而言，衡量一个工业催化剂的质量与效率，集中起来是活性、选择性和使用寿命这三项综合指标。
与这三项指标相关，还要从催化剂的机械强度、抗毒性、几何物理性质、宏观和微观的物理结构、经济性能等各方面来综合地衡量。
工业催化剂的评价是指对催化剂的化学性质的考察和定量描述；测试则常侧重于对工业催化剂物理性质（宏观和微观）的测定；而表征则着眼于从综合的角度研讨工业催化剂各种物理、化学性质以及物理化学性质诸性能的内在联系和规律性。
2.1催化剂活性的测定催化剂活性的测定主要有流动法和静态法两类方法，在工业上常以转化率来描述催化剂的活性。
催化剂评价实验与动力学实验虽然目的不同，但两者的实验设备、装置和流程一般基本相同。
在催化剂评价实验中，只需改变催化剂而不改变实验条件。
因此，为了得到研究催化活性的研究模型，常以催化反应动力学作为工具。
在得到动力学数学模型时，主要涉及到各种实验反应器，如常用的微分反应器、积分反应器和无梯度反应器等[11-14]。
表1几种实验室反应器性能比较[6]Table 1 Compare of several labor reactorperformance近年来，催化剂评价和动力学设备开发研究又有突破。
比如催化剂的反应系统，评价装置与物化测试手段联合应用等，例如微色谱技术与热天平、差热、红外吸收光谱等的联合使用。
2、2催化剂的宏观物理性质的测定图6催化剂颗粒结合体示意图Fig.6 Catalyst particle combination 工业催化剂的性质包括化学性质和物理性质，在其化学组成和结构确定的情况下，催化剂颗粒-孔系的宏观物理性质决定了催化剂的性能与寿命。
对其进行测定与表征通常包括了颗粒直径及粒径分布、机械强度、抗毒稳定性、比表面积和孔结构的测定。
目前，在颗粒直径及粒径分布的测定上有了较新的发展[15]，比如沉降X-射线光透法（其结构原理如图7）、电镜-小型图像仪法、激光全散射技术等。
对于其他的宏观物理性质的测定还在使用传统的操作方法，但已经相当成熟可靠。
图7沉降X-射线光透式粒度分析仪结构原理图Fig.7 Sedimentation X-ray light through type particle size analyzer structure 2、3催化剂微观性质的测定和表征催化剂除的宏观物理结构性质外，还有表面活性、金属粒子大小及其分布、晶体物理、结构缺陷的鉴定等。
此外，还有一些涉及到催化剂表面化合价及电子状态、电学和磁学性质等微观性质。
在这些复杂微观性质的测定研究中，除了应用传统的电子显微镜、X-射线结构分析、热分析技术等技术手段外，近代物理方法已经成为今日催化剂科学研究的一个重要特点。
电子探针技术、X-射线电子能光谱（XPS）、红外光谱技术等，在将催化剂制备过程和表面的认识与催化剂活性、选择性和寿命关联起来的过程中发挥着重要的作用。
比如电子探针技术有助于表征毒物或助催化剂的存在状态及组成分布，XPS可以提供表面组成、价态、结合能，对研究催化剂活性中心本质以及中毒机理颇为重要[11,12]。
此外，各种近代物理手段与微型化色（质）谱技术的联用也成为一个新的领域。
比如X-光衍射-流动反应器，其结构如图8所示。