工业催化复习思考题资料

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1、工业催化复习思考题工业催化复习思考题 1 为什么说没有催化剂就没有现代化学工业 无机化学中工业合成氨 硝酸和硫酸的生产 石油加工工业中催化裂化 催化重整的二次加工过程 有 机化工中的甲醇 丁辛醇 乙酸和丙酮的生产 煤化工中的催化液化与气化 高分子化工中的三大合 成材料的生产等 无不与催化剂有关 2 催化剂及催化技术研究与应用主要体现在哪些方面 更新原料路线 采用更原价的原料 革新工艺流程 促进新工艺过程开发 缓和工艺操作条件 达到节能降耗的目的 开发新产品 提高产品收率 改善产品质量 消除环境污染或开发从原料到产品的整个化工过程 对资源有效利用以及污染控制的环境友好 绿色 催化工艺 等 3 未

2、来催化技术研究的重点主要有哪些 在分子水平上设计催化剂 发展高速测试和合成催化剂的方法 改进原位催化剂表征技术 开发具有特殊活性位结构的催化剂的制备方法 4 工业催化的发展主要经历了哪几个阶段 有哪些代表性的成果及人物 1 基础催化化工工艺的开发期 1 基础催化化工工艺的开发期 1860 年发明了氯化铜催化的氯化氢氧化制氯气的 Deacon 工艺工程 1875 年发明了 Pt 催化 SO2氧化制硫酸的催化工艺 发明了甲烷 水蒸气在 Ni 催化剂作用下催化转化制合成气 该系列催化剂发展成 Raney Ni 催化剂 1902 年 Ostwald 开发了氨气氧化为 NO 的工艺 NH3工业化生产 H

3、aber 的同事 Mittasch 筛选出合成氨用熔铁催化剂 C Bosch 和 Haber 一同设计加 工了一套闭路循环合成反应的高压系统 许多新概念 2 炼油和石油化学工业的蓬勃发展时期 2 炼油和石油化学工业的蓬勃发展时期 1929 年法国人 E J Houdry 开发了流化床催化裂化工艺 FCC 1937 年 Haensel 创建了催化重整工艺 3 合成高分子材料工业的兴起 3 合成高分子材料工业的兴起 20 世纪 50 年代 德国化学家 K Ziegler 发现了 Ni 催化 PE 的现象 促进了聚合物高分子工业的诞生 1980 年德国科学家 Kaminsky 和 Sinn 发明了烯

4、烃聚合的茂金属催化剂 4 择形催化和新一代石油炼制工业 4 择形催化和新一代石油炼制工业 Mobil 公司的 P B Wietz 在第二届国际催化会议上报告了他们发现八面沸石 主要是 X Y 型分子筛 具有催化活性并且成功的应用于 FCC 工艺中 5 手性催化与制药工业 5 手性催化与制药工业 5 催化剂及催化作用的定义 催化剂是一种能够加速反应速率而不改变反应的标准吉布斯自由焓变化的物质 这种作用称为催化作 用 催化剂是一种能够改变化学反应速度却不改变化学反应热力学平衡位置的物质 本身在反应过程中不 被明显的消耗 6 催化作用的特征有哪些 催化剂只能加速热力学上可以进行的反应 不能加速热力学

5、上不能进行的反应 催化剂只能加速反应趋于平衡 不改变平衡的位置 且正逆反应均加速 催化剂对反应具有选择性 催化剂有寿命 7 提高反应速率的手段有哪些 催化剂为什么能够加快反应速度 加温加压加反应物加催化剂 催化剂可以为反应物分子提供一条较易进行的反应途径 8 固体催化剂一般有哪些部分组成的 各组成部分的功能有哪些 活性组分 化学活性 载体 高表面积 有的载体具有孔结构 增大催化剂机械强度 助催化剂 对活性组分或者载体进行改性 9 什么是溢流现象 溢流是指固体表面吸附物 离子或自由基 迁移到次级活性中心的现象 10 衡量一个工业催化剂的最基本的指标有那几个 他们之间有什么关系 有活性 选择性和稳

6、定性三个要求 三者共同制约催化剂的性能 11 催化剂活性的表达方式有哪些 催化剂的比活性 催化剂的反应速率表示法 工业上常用转化率和时空产率表示 12 什么是催化剂的选择性 如何计算催化剂的选择性 催化剂的选择性是指消耗的原料转化成目的产物的分率 转化成目的产物的量 已转化的量 100 13 什么是催化剂的时空产率 催化剂的时空产率是指在一定条件下 温度 压力 进料组成 进料空速均一定 单位时间内单位体积 或者单位质量催化剂所得产物的量 14 催化剂寿命和稳定性有什么不同 催化剂的稳定性是指它的活性和选择性随时间变化的情况 催化剂的寿命是指在工业生产条件下催化剂的活性能够达到装置生产能力和原料

7、消耗定额的允许使 用时间 15 什么是催化剂的吸附等温线 有哪几种吸附等温式 有什么用途 对于给定的物系 在温度恒定和达到平衡的条件下 吸附量和压力的关系绘制成的曲线成为吸附等温 线 简单的 Langmuir 吸附等温式 可以解释某一个吸附体系是否符合 Langmuir 方程 解离吸附的 Langmuir 等温式 可以判断是否发生了解离吸附 竞争吸附的 Langmuir 等温式 判断两种或者多种物质竞争吸附的能力 焦姆金等温式 在合成氨体系的铁催化剂的化学吸附基础上研究而来 对中等吸附程度有效 弗兰德里希吸附等温式 该等温式预示不应存在饱和吸附量 BET 公式 为固体吸附剂 催化剂的表面及测定

8、提供了强有力的基础 16 分子在金属上的吸附有什么规律 分子吸附在催化剂表面上 与其表面形成吸附键 构成分子吸附态 吸附键类型可以是共价键 配位 键或者离子键 某些分子吸附之前必须解离 具有孤对电子或者 电子的分子可以非解离化学吸附 强吸附的都是过渡金属 吸附能力较弱的都是非过渡金属 17 物理吸附与化学吸附的区别有哪些 物理吸附借助分子间力 吸附力弱 吸附热小 而且是可逆的 没有选择性 分子量越大越容易发生 化学吸附和一般的化学反应相似 借助化学键力 遵循化学热力学和化学动力学的传统规律 具有选 择性 吸附热大 一般不可逆 18 发生化学吸附的原因是什么 吸附与催化之间有什么关系 原因 位于

9、固体表面的院子具有自由价 这些原子的配位数小于固体内原子的配位数 使得每个表面 原子受到一种内向的净作用力 将扩散到附近的气体分子吸附形成化学键 化学吸附和催化反应有着密切的联系 首先只有催化剂能够吸附反应物时 才能催化反应 而且 复 相催化中 至少有一种反应物是被固体表面化学吸附时才能发生反应 而且这种吸附是催化过程的关 键步骤 19 多相催化的反应步骤有哪些 哪些属物理过程 哪些是化学过程 1 反应物分子从气流中向催化剂表面和孔内扩散 物理过程 2 反应物分子在催化剂内表面上吸附 3 吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用进行化学反应 4 反应产物从催化剂表面脱附 5 反应

10、产物在孔内扩散并扩散到反应气流中去 物理过程 20 固体酸的性质包括哪几方面 用什么方法进行测定 酸中心 酸强度和酸量 酸度 酸中心 吡啶作吸附质的 IR 法 酸强度 可用酸强度函数 H0表示 用胺滴定法或者气态碱吸附法 发展为 TPD 法 即程序升温脱附法 酸量 测量酸强度的同时可以得到酸量 21 固体酸 碱的种类有哪些 哪些类型的反应可以用固体酸 碱催化 固体酸 天然黏土类 浸润类 阳离子交换树脂 活性炭在 573K 下热处理 金属氧化物和硫化物 金属盐 复合氧化物 固体碱 浸润类 阴离子交换树脂 活性炭在 1173K 下热处理或者用 N2O NH3活化 金属氧化物 金 属盐 复合氧化物

11、用碱金属离子或者碱土金属离子处理交换的合成分子筛 适用类型 烃催化裂化 烯烃催化异构化 芳烃烯烃烷基化 烯烃二烯烃的低聚共聚和高聚 烯烃水 合制醇和醇催化脱水等 22 固体酸酸性来源和酸中心的形成是怎样的 来源 田部浩三根据观测假定在二元氧化物模型结构中 负电荷或者正电荷过剩是产生酸性的原因 酸中心形成 正电荷过剩形成 L 酸中心 负电荷过剩生成 B 酸中心 23 固体酸性质与催化作用之间存在什么样的关系 大多数酸催化反应在 B 酸位上进行 例如异构化 苯歧化和脱烷基化 设计 重组的反应在 L 酸位上进行 例如有机物的乙酰化 有些反应不仅要求在 B 酸位上进行 而且要求非常强的 B 酸 例如烷

12、基芳烃歧化 有些反应要求 L 酸位和 B 酸位在催化剂表面临近处共存时才进行 例如重油加氢裂化 24 什么是固体超强酸 可分为哪几类 固体酸强度如果超过 100 硫酸强度 则称作超强酸 可分为含卤素和不含卤素两大类 25 杂多酸催化剂有哪些催化性能 有哪些特点 兼有酸碱性和氧化还原性 特点 可以通过杂多酸组成原子的改变来调节酸性和氧化还原性 一些杂多酸化合物表现出准液相的行为 因而有一些独特的性质 结构确定 兼具一般配合物和金属氧化物的主要结构特征 热稳定性好 在低温下不存在较 高活性 是一种环境友好的催化剂 26 常用的分子筛主要有哪些 各种分子筛的结构特点有哪些 方钠型沸石 A 型分子筛

13、方钠型沸石 A 型分子筛 类似于 NACl 的立方晶系结构 将 NACl 晶格中的 Na 和 Cl 换成 笼 把 相邻的 笼用 笼联结起来就得到 A 型分子筛的晶体结构 八面型沸石 X Y 型分子筛八面型沸石 X Y 型分子筛 XY 分子筛的区别在于硅铝比不同 X 型硅铝比 1 1 5 Y 型 1 5 3 类似于金刚石的密堆立方晶系结构 若用 笼这种结构单元取代金刚石的碳原子节点 用六方柱笼联 结相邻的两个 笼 即用 4 个六方柱笼把 5 个 笼联结起来 其中一个 笼在中心 其余四个 笼在 正四面体的顶点 就得到了八面沸石型的晶体结构 这种结构继续联结下去就得到了 X Y 型分子筛 的结构 丝

14、光沸石型分子筛 M 型 丝光沸石型分子筛 M 型 层状结构 没有笼 结构中含有大量五元环 且成对连接在一起 每对五 元环通过氧桥和另一对连接 连接处形成四元环 这种结构单元进一步联结就形成含有八元环和十二 元环的层状结构 十二元环呈椭圆形 是丝光沸石的主孔道 平均直径为 0 74nm 高硅沸石 ZSM 型分子筛高硅沸石 ZSM 型分子筛 ZSM 5 硅铝比在 50 以上 ZSM 8 可以到 100 他们的结构和丝光沸石相 似 由成对五元环组成 只有通道 没有笼状空腔 广泛应用的 ZSM 5 有两种交叉孔道 一种是直通 的 另一种是之字形互相垂直的 都是十元环组成 通道呈椭圆形 磷酸铝系分子筛磷

15、酸铝系分子筛 该系沸石是继 60 年代 Y 型分子筛和 70 年代 ZSM 5 高硅分子筛之后 于 80 年代出 现的第三代新型分子筛 包括大孔的 AIPO 5 1 0 0 8nm 中孔的 AIPO 11 0 6nm 和小孔的 AIPO 34 0 4nm 等结构以及 MAPO n 系列和 AIPO 经过 Si 化学改性成的 SAPO 系列 27 分子筛催化剂的酸性是如何形成的 有哪些调变分子筛酸性的方法 分子筛 HY 上的羟基显示酸性中心 骨架外的铝离子会强化酸位形成 L 酸中心 多价阳离子也可能产生羟基酸位中心 过渡金属离子还原也能形成酸位中心 进行铵离子交换 对于耐酸性强的分子筛可以用稀盐

16、酸直接交换引入质子 28 什么是择形催化选择性 为什么分子筛具有很高的择形催化选择性 因为分子筛中有均匀的小内孔 当反应物和产物的分子线度和晶内孔径接近时 催化反应的选择性常 取决于分子与孔径的相应大小 这种选择性称为择形催化选择性 分子筛的孔道的大小和结构是基本不变的 活性组分附着在孔道里面 只有和孔道结构相近的分子才 能进入孔道发生反应 29 依形态结构划分 金属催化剂分别有哪五种类型 块状金属催化剂 分散或负载型的金属催化剂 金属簇状物催化剂 非晶态合金催化剂 金属互化物催化剂 30 举例说明金属催化剂催化哪些类型的反应 加氢加氢 合成氨的熔铁催化剂 Fe K2O CaO Al2O3 不饱和碳碳键还原的雷尼镍 Ni Al2O3 Ni Cu 或 Ni Cr 合金的腈基还原 氧化氧化 铂网氨催化氧化 电解银醇氧化 甲烷化甲烷化 Ni Al2O3还原 CO 环氧化环氧化 Ag 刚玉 氢醛化氢醛化 Fe3 CO 12铁簇化物 31 什么是 d 带空穴 d 特性百分数 它们与金属催化剂的化学吸附和催化性能之间的关系是什 么 金属原子中 d 带中能级没有充满时 可以看做 d 带空穴 d 特性