Quelles sont les différentes formes de catalyseurs?
Principales formes de catalyseurs
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Forme
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Caractéristiques du processus
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Poudre
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Les poudres fines à l'échelle micron/nanométrique sont généralement synthétisées directement par des méthodes chimiques telles que la précipitation et les processus hydrothermaux.
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Granules
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Les morceaux solides de forme irrégulière sont fabriqués en pressant la poudre en comprimés ou en les roulant à travers un granulateur, suivi d'une calcination.
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Colonnaire/cylindrique
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Des formes cylindriques régulières sont formées en extrudant un mélange de poudre de catalyseur et de liant, puis en coupant et en calcinant.
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Trèfle/trèfle à quatre feuilles et autres rayures de forme irrégulière
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C'est une bande avec de multiples lobes ressemblant à des feuilles surélevés, qui est extrudée par un moule spécial.
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Sphérique
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Des sphères parfaites sont produites par le moulage de colonne d'huile, la granulation de jet, ou la granulation de roulement.
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Élément filtrant en nid d'abeille
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La structure intégrale a un grand nombre de canaux rectilignes parallèles et réguliers (l'aspect peut être cubique, cylindrique, etc.), et le support comprend de la cordiérite, du charbon actif, etc. (le support est recouvert d'un revêtement catalytique ou pulvérisé avec de la poudre).
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Autres structures d'éléments filtrants
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Une structure poreuse irrégulière en métal ou en céramique, avec un catalyseur revêtu dans les pores. Des exemples incluent des feuilles métalliques ondulées, de la mousse métallique et du feutre de fibres.
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Comparaison des avantages et des inconvénients de chaque forme
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Forme
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Avantages de noyau
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Poudre
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Il a la plus grande surface spécifique, l'exposition la plus complète des sites actifs et l'activité intrinsèque la plus élevée; il est facile d'effectuer un dépistage de l'activité en laboratoire.
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Particules
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Il a une résistance élevée et une bonne résistance à l'usure; il est facile à remplir et a une grande porosité de lit, ce qui est propice à l'écoulement gaz-liquide.
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Colonnaire/cylindrique
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Il a une forme régulière, un remplissage uniforme et peut réduire la canalisation; il a une bonne résistance mécanique; et le processus de fabrication est mature.
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Trèfle/trèfle à quatre feuilles et autres rayures de forme irrégulière
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Pour le même volume, la surface spécifique est légèrement plus grande que celle d'un cylindre; la structure de lame augmente la turbulence de surface et améliore le transfert de masse; la porosité de lit est grande, ayant pour résultat la pression d'air inférieure.
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Sphérique
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Il est isotrope, a une résistance extrêmement élevée et la meilleure résistance à l'usure; il a une bonne fluidité et la distribution la plus uniforme pendant le remplissage; la structure des pores du lit est la plus uniforme et la pression de l'air est réduite.
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Élément filtrant en nid d'abeille
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Il a une superficie géométrique énorme; les canaux droits de flux d'air et la chute de pression extrêmement basse de flux d'air (1/10 à 1/20 de celle d'un lit de particules); il est obstruer-résistant (la poussière peut passer à travers); et il est modulaire, rendant l'installation et le remplacement commodes.
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Autres structures d'éléments filtrants
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Il a une porosité extrêmement élevée (>85%), une faible pression de gaz, d'excellentes propriétés de mélange et de transfert de masse et une bonne conductivité thermique.
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Forme
Principaux inconvénients
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Poudre
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Sa résistance est extrêmement faible, ce qui le rend impropre à l'utilisation en lits fixes; il est facilement emporté par le flux d'air et difficile à séparer des réactifs.
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Granules
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Sa forme irrégulière peut entraîner un remplissage irrégulier pendant le chargement; sa surface spécifique est légèrement inférieure à celle de la poudre.
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Colonnaire/cylindrique
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Pour un même volume, la surface spécifique est inférieure à celle de bandes irrégulières telles que l'herbe multifoliaire et la chute de pression d'écoulement de gaz du lit catalytique est relativement plus élevée.
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Trèfle/trèfle à quatre feuilles et autres rayures de forme irrégulière
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Le coût du moule est élevé; les lobes de bord sont relativement fragiles et leur résistance à l'usure et leur résistance ne sont pas aussi bonnes que celles du type colonnaire.
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Sphérique
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Il a généralement le coût de fabrication le plus élevé; sa surface spécifique est généralement inférieure à celle des bandes de forme irrégulière du même matériau.
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Élément filtrant en nid d'abeille
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Mauvais transfert de chaleur axial, inadapté aux fortes réactions exothermiques/endothermiques; revêtement est à risque de pelage; coût élevé par unité.
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Autres structures d'éléments filtrants
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La surface spécifique est généralement inférieure à celle des céramiques en nid d'abeille; la résistance peut être inégale; le coût est également relativement élevé et nécessite généralement une personnalisation.
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Applications typiques de chaque forme
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Forme
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Domaines d'application typiques
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Poudre
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Études en laboratoire (évaluation de l'activité); réacteurs à lit de boue (p. ex., oxydation catalytique à l'ozone en suspension des eaux usées); sacs filtrants catalytiques (adhérence de la poudre aux milieux filtrants).
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Particules
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Il est largement compatible avec divers réacteurs à lit fixe et réacteurs à lit d'appoint (gaz-liquide-solide triphasé); et convient également à certaines applications d'équipement intégré de réaction d'adsorption et de catalyse.
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Colonnaire/cylindrique
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La configuration à lit fixe la plus largement utilisée, telle que l'hydrogénation pétrochimique, la désulfuration et la combustion catalytique des COV.
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Trèfle/trèfle à quatre feuilles et autres rayures de forme irrégulière
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Les réactions contrôlées par la diffusion (limitées par le transfert de masse) sont cruciales, telles que l'hydrocraquage du pétrole lourd et l'hydroraffinage du diesel.
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Sphérique
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Dans les applications où une chute de pression gazeuse élevée et l'uniformité du lit sont nécessaires, telles que les grands réacteurs radiaux, les réactions fortement exothermiques et les réacteurs à lit mobile (où le catalyseur doit être recyclé).
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Élément filtrant en nid d'abeille
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Les applications comprennent des scénarios de flux d'air à haut volume, à faible concentration et à basse pression, tels que le traitement des gaz d'échappement COV et la dénitrification industrielle dans les émissions industrielles, les convertisseurs catalytiques à trois voies pour les gaz d'échappement automobiles et les filtres de décomposition pour la purification du formaldéhyde et de l'ozone dans les espaces intérieurs.
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Autres structures d'éléments filtrants
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Dans des conditions de fonctionnement spéciales, telles que les gaz d'échappement à haute teneur en poussière/brouillard d'huile, des filtres en mousse métallique sont nécessaires. Pour la combustion catalytique fortement exothermique, des plaques métalliques ondulées sont utilisées pour faciliter la conduction et la dissipation de la chaleur.
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BasiS et étapes pour sélectionner les espèces de catalyseur
Étape 1: Criblage préliminaire basé sur le système réactionnel et les conditions du procédé
1. Facteurs liés à l'état de phase des réactifs
Pour les réactions en phase purement gazeuse (telles que la combustion catalytique de COV et l'échappement d'automobile), les catalyseurs en céramique de nid d'abeilles sont le choix préféré parce qu'ils assortissent parfaitement aux conditions du «volume élevé et de la basse pression».
Réactions gaz-liquide-solide triphasées (telles que l'hydrogénation résiduelle d'huile et l'oxydation humide catalytique des eaux usées): des catalyseurs granulaires doivent être utilisés pour maintenir l'espace de dispersion gaz-liquide, tandis que la poudre sera perdue et le nid d'abeilles sera bloqué.
Réactions biphasiques liquide-solide (telles que l'oxydation catalytique des suspensions): seuls des catalyseurs en poudre ou des catalyseurs à microsphères peuvent être utilisés pour maximiser la surface de contact.
2. Facteurs influant sur la pression
Pour les applications basse pression (comme les moteurs automobiles et les grands systèmes de ventilation), les catalyseurs en nid d'abeille ou en mousse métallique sont le meilleur choix.
Dans des conditions de pression moyenne à élevée (telles que les réacteurs à haute pression et les réacteurs tubulaires), les catalyseurs particulaires peuvent être sélectionnés pour obtenir un meilleur transfert de masse et un meilleur mélange.
3. Facteurs liés à la chaleur de réaction
Dans le cas de réactions fortement exothermiques/endothermiques, le lit de catalyseur doit avoir une bonne conductivité thermique pour évacuer ou fournir de la chaleur et éviter une surchauffe/surrefroidissement local. Dans ce cas, les catalyseurs à base métallique de formes régulières (plaques ondulées, plaques de mousse) ou de petites particules sphériques sont préférés.
Étape 2: Un examen plus détaillé fondé sur les conditions de travail réelles
1. Facteurs influant sur la composition des gaz d'échappement
La plupart des formes sont utilisables dans des conditions de gaz propres, celle avec la plus grande surface étant préférée.
Dans les cas impliquant des poussières, des fibres ou des colloïdes, une morphologie non colmatante doit être choisie. Des types en nid d'abeille ou des mousses métalliques à grands pores sont préférés pour empêcher le colmatage du lit de catalyseur.
Lorsque plusieurs composants sont mélangés, il est nécessaire d'envisager un prétraitement dans le procédé ou la combinaison synergique de plusieurs types de catalyseurs.
2 、 Facteurs de fonctionnement
Applications nécessitant une régénération fréquente (comme le craquage catalytique), les catalyseurs de microsphères sont utilisés pour la régénération de réaction continue dans un lit fluidisé.
Exigeant l'opération à long terme et le rinçage répété, les catalyseurs sphériques ou granulaires de haute résistance sont le meilleur choix.
Pour les situations nécessitant une inspection et un remplacement réguliers, les catalyseurs modulaires en nid d'abeille sont le meilleur choix.
3. Considérations sur la rentabilité
Les formes colomnaires, granulaires et sphériques sont déjà dans la production industrielle à grande échelle, et leur coût est le plus avantageux.
Le volume d'air de bas-à-milieu et les conditions à basse pression, le prix unitaire du type de nid d'abeilles est relativement haut, mais il est plus simple d'intégrer dans le système d'échappement et a un niveau élevé de custOmization pour s'adapter à différentes conditions d'équipement. Le processus global d'installation, de remplacement et de maintenance est plus efficace.
Dans des conditions de fonctionnement extrêmes et complexes, des formes composites spéciales peuvent devoir être personnalisées, ce qui est le plus coûteux.
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