工业催化导论

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1、工业催化导论 本科课程讲义sfsong 第一章第一章 绪论绪论 1.1催化科学的重要性与发展概况 1 催化剂与催化过程 提高反应速率的途径：T或 CA，CB，但升幅有限! 反应：aA+bBsS 反应速率： 其它有效途径：使用催化剂，活化能E 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 催化剂：一种能够改变化学反应速度，而它本身又不形成最终产物的物质。 催化作用：是利用催化剂来加速化学反应速度的一种化学作用。 催化科学：研究催化剂与催化过程的科学，涉及到物理、化学、材料等多类学 科，是一门综合科学。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 表1 催化反应应和非催化反应应活化能的对对比 工业催化导论

2、本科课程讲义sfsong 2 2 催化科学的重要性催化科学的重要性 (1)催化剂化学工业的基石 化学工业与石油化工，80%以上采用催化剂 1990年：全球催化剂销售59.84亿美元，其中炼油催化剂消耗量37.7万吨 2010年：全球催化剂需求123亿美元，今后三年预计年增长3.6%。 预计2010年：全球炼油催化剂销售收入35亿美元，消耗量410万吨，其中加 精制18亿美元，FCC为12亿美元。 预计未来五年，全球石油化工生产用的催化剂年均增幅7.2%，至2013年市场 份额将达到43亿美元。 产出效益：1美元催化剂产出195美元产品 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (2)合成氨及合成

3、甲醇 合成氨 世界：2007年合成氨产量1.544亿吨。全球合成氨产能将从 2007年的1.763亿吨增加到2012年的2.103亿吨。 中国：2006年我国合成氨产量为4938万吨 ，2007年合成氨产 量5158.87万吨，同比增长5.4 。 中国是世界第一大氮肥生产与消费国。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 天然气为原料合成氨具体过程： 加氢脱硫：在钼酸钴催化剂作用下，有机硫转化为H2S，再以 ZnO吸收或去硫磺回收装置。 转化：H2O+CH4COH2 CO变换：COH2OH2CO2 吸收去除CO2：

4、吸收剂为热K2CO3溶液、醇胺或甲醇 甲烷化：CO3H2CH4H2O （放热反应） CO24H2CH42H2O （放热反应） 氨合成：3H2+N2 2NH3 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 合成甲醇 2006年：世界甲醇的总生产能力接近4800万吨，2006年总需求达3680万吨 。预计到2010年，世界甲醇生产能力将达到约6400万t，2015年达到约 7200万t 中国： 2005年：全年国内精甲醇产量536.2万吨； 2006年：中国甲醇产量为874.7万吨； 2006年：国内共有甲醇生产企业142家，产能合计1344.4万吨/年。 2007年：我国甲醇产量为1078万吨。到20

5、10年，我国新增甲醇产能将达到 1000万1500万吨/年，总产能将达到2000万2500万吨/年。到2015年，我 国甲醇消费量将达到2100万吨。 “十一五”期间：我国新建、拟建甲醇项目共42个。到“十一五”末期，我国甲 醇生产企业将有200家左右，产能将达到2500万3200万吨。 中国是世界第二甲醇消费国 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 天然气合成甲醇工艺：造气与合成氨前半段制氢类似，得原料气CO与H2 ，再催化合成甲醇。 主反应为：CO+2H2=CH3OH 中、低压合成工艺催化剂：CuO-ZnO-Al2O3 高压合成工艺催化剂：CuO-ZnO-Cr2O3 工业催化导论 本科课

6、程讲义sfsong (3)石油炼制与石油化工 炼油工业：催化裂化、烷基化、加氢精制、加氢脱硫等 石化工业：三烯、三苯、乙炔和萘是合成三大合成材料的基础原料 三烯：乙烯、丙烯、丁二烯 三苯：苯、甲苯、二甲苯 三大合成材料：塑料、橡胶、纤维 2005年：中国乙烯消耗量为1,876万吨，但国内产能仅844万吨，其余55%需进口。 2006年中国乙烯产能985万吨，产量922万吨。 2007年：中国乙烯产量为1048万吨，需求2000万吨 2010年：中国乙烯产量将达到1600万吨，但需求量将达2500万吨，2015年将达到 3,700万吨。 目前，中国已超越日本成为仅次于美国的全球第二大乙烯生产国。

7、 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 表1-2 若干重要的石油炼炼制催化过过程 催化过程催 化 剂工 艺 特 点 催化裂化SiO2AlO3、REY、 USY、HZSM5 减压馏分油、蜡油或掺炼部分渣油，在常压、450 510催化裂化得到裂解气、汽油、煤油、轻柴油等产 品。 加氢裂化MoO 3CoO/Al2O3； Pd/沸石分子筛 重质原料油在320440，1020MPa条件下，使用双 功能催化剂，生产优质 中间馏分油，清洁燃料、润滑 油基础油等。 催化重整Pt/Al2O3(Cl)； PtR、PtIr、PtSn /Al2O3(Cl) 含C6C9烃类的直馏汽油在500550和3MPa条件下 ，

8、催化重整得到高辛烷值汽油和苯类产品，副产氢气 。 加氢处理族（Ni、Co）硫 化物为助催化剂的 族金属（Mo、W ）硫化物 在升温临氢（300400，4.010.0MPa）条件下， 加工从汽油到渣油的各种馏分，包括原油进行处理， 达到脱除S、N和重金属等杂质，烯烃和芳烃饱和，以 改善馏分油的品质，得到产品或下游加工用的精制原 料。 烷基化H2SO4法、HF法异丁烷和各种丁烯（异丁烯，1-丁烯、2-丁烯）通过 加成得到烷基化油，主要成分为工业异辛烷。 催化叠合H3PO4、沸石分子筛在80130，4MPa条件下将丙烯，丁烯叠合成高辛 烷值汽油 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论

9、本科课程讲义sfsong (4)(4)基础无机化工工业基础无机化工工业 现代无机化工基本原料：三酸(盐酸、硫酸与硝酸)中的硫酸、硝酸均是伴随着 V2O5与合成氨、氨氧化反应催化剂及催化工艺的出现而获得发展。 硝酸工艺发展 早期：硝石(NaNO3)与浓硫酸分解制取，成本高，产能小 19世纪初期：电弧法制取，能耗高 1913年：实现以Pt-Rh催化下的氨氧化制硝酸 4NH35O24NO6H2O NOO2NO2 2006年：中国浓硝酸产量177.652 万吨，硫酸产量4860.33万吨。 2007年：中国浓硝酸产量200.885 万吨 ，硫酸产量约5280万吨。中国每年进 口约200万吨硫酸用于国内

10、消费，是硫酸的净进口国。 2007年：中国纯碱产量1771.8万吨, 烧碱产量1759.3万吨，盐酸产量737万吨 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (5)(5)基本有机合成工业基本有机合成工业 基本有机化工工业生产乙醇、环氧乙烷、丁醇、辛醇、1、4- 丁二醇、醋酸、苯酐、苯酚、丙酮、顺丁烯二酸酐、环氧丙烷 、甲醛、乙醛、环氧氯丙烷等，都需要各种催化剂。 2007年：欧盟乙醇总产量177万m3，美国为64.85亿加仑，中 国为145万吨(相当于4.84亿加仑)。 2006年：世界环氧乙烷产量1813.3万吨，总产量约150万吨， 但商品量只有约51

11、万吨（因为大部分联产为乙二醇） 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 催化原理 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (6)(6)三大合成材料三大合成材料 三大合成材料：合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维 合成塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和热塑性树脂 ，Ziegler-Natta型催化剂使乙烯在接近常压下合成高分子聚合物 (以前100300MPa) 合成橡胶：丁苯橡胶（丁二烯苯乙烯）、顺丁橡胶（丁二烯共 聚）、异戊橡胶（异戊二烯共聚）、乙丙橡胶（乙烯丙烯）， 使用Li、Al或其它过氧化合物催化剂 合

12、成纤维：涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维），腈纶（聚丙烯 腈纤维），维纶（聚乙烯醇纤维）、胺纶（聚已内酰胺纤维）， 使用骨架镍、铂、钯、铑、铜、镁、锌及其氧化物等制备催化剂 。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 2007年，中国合成树脂产量已达3073.55万吨，聚乙烯产量693万 吨，聚丙烯产量713万吨，聚氯乙烯产能产能力达1520万吨年，产 量971.7万吨（世界第一） 2006年：合成橡胶产量184.52万吨，2007年222万吨。 2006年：中国合成纤维产量1860.32万吨 ，占世界51.7%。2007 年世界合成纤维产量(不含聚烯烃纤维和玻璃纤维)为3807.75万吨， 中

13、国占55.9。 三大合成材料的原料： 2007年：中国原油产量1.8666亿吨，进口1.6137亿吨，出口389 万吨，表观消费3.46亿吨。 加工3.268亿吨，生产汽、煤、柴1.95 亿吨，表观消费1.92亿吨。 2007年：天然气产量666亿m3 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (7)(7)精细化工及专用化学品精细化工及专用化学品 一些精细及专用药品、染料等高附加值化学品或合成材料的生产 。 加氢、氧化、酯化、环化、开环、重排等反应，需要Ni、Pt、 Pd、Cu、Co、Mo、W等金属及其氧化物催化 2006年：中国染料产量115.3万吨。2007年142.6万吨。 2007年：中

14、国涂料行业总产量达到597.28万吨，同比增长17.6% 2007年：国内共完成农药产量173.1万吨(按有效成分计)，跃居 世界第一，比2006年增长24.3%。 2007年：中国化妆品行业销售额高达1200亿元。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (8)(8)生物化学工业生物化学工业 医药工业：各种激素、抗生素，干扰素等以及酶、酯类药物，均 以生物酶催化。 食品工业：多种发酵食品、调味品、醇类饮料、有机酸、氨基酸 甜味剂、鲜味剂等，都以酶催化生产。如酸奶即是由牛奶中的乳 糖经发酵生成乳酸（-羟基丙酸），酿酒、酿醋、制酱等。 化工原料：甲醇、乙醇、丁二醇、异丙醇、丙二醇、木糖醇等都 可

15、以使用微生物发酵生产或生物酶催化。 环保：三废治理，生物催化降解 2007年：中国医药总产值达6679亿元。 2007年：中国啤酒产量为3931.4万吨，2007年国内柠檬酸产量 76万吨（占世界一半） 2006年：中国味精产量160万吨，2007年1-11月产量172万吨。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong 表1-6 工业业生物催化过过程分类类及特征 生 长长 耦 联联 型非 生 长长 耦 联联 型 反应过应过 程多步反应应，底物通过过多个反应应得 到产产物。 单单步反应应，底物通过简单过简单 反应应得到产产物。 能 量需要生物体供能，如一些氧化还还 原酶系的反应应，需要体内提供 NA

16、DH2等供体。 催化时时不需要生物体供给给能量 细细胞生长长需要细细胞生长长无需细细胞生长长 酶的类别类别多为为有氧化还还原酶参加的多个酶 多为为水解酶、异构酶类类、裂解 等。 反应应区域酶需在菌体中实现实现 催化作用酶可分离，在菌体外仍然有催 化活性。 典型产产品1,3-丙二醇、长链长链 二元酸、青霉素 、聚羟羟基丁酸酯酯（PHB）、天然 香料等。 丙烯酰烯酰 胺、果葡糖浆浆、手性药药 物、DL-氨基酸的拆分、油脂 改性、水解糖苷等。 工业催化导论 本科课程讲义sfsong (9)(9)环境化学环境化学 u以催化方法加速环境中的有毒有害物质的分解与转化，形 成无害物质，减少环境污染 。 u如汽车尾气控制中的三效催化剂（Pt-