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1、1,第一讲,本人简介 绪论 催化剂与催化作用基本知识 催化剂的表面吸附和孔内扩散,2,本人简介：学历,1986.9 -1990.7 1990.9 -1993.3 1998.9-2001.12,浙江工业大学 化学工程系 工业分析专业 本科 上海工业大学(现上海大学) 化学化工系 应用化学专业 硕士研究生 华东理工大学 化学与制药学院(现化学与分子工程学院) 工业催化专业 博士研究生,3,本人简介：工作经历,1993.4- 2005.10: 2005.11- 2009.1-2009.7 ：,中国石化 上海石油化工研究院 助理工程师/工程师/高级工程师 上海应用技术学院 化学工程系(现化学与环境工程
2、学院) 教授 硕士研究生指导老师 工业催化硕士点负责人 美国Clemson大学 化学工程系 高级访问学者,4,办公室 : 第三学科楼C-312室 联系电话 : 6087 7221(O) 137 6459 8427,5,0 绪论,催化剂的作用 课程主要内容 主要参考书 催化期刊,6,催化剂的作用,化学工业的基石 85%以上的化工产品是借助催化剂生产的 无机化工：合成氨、硝酸、硫酸 有机化工：甲醇、醋酸、丙酮 高分子化工：三大合成材料 (合成树脂和塑料、合成橡胶、合成纤维) 石油炼制与化工：汽油、柴油,7,催化剂的作用,环境保护 挥发性有机组分(VOCs)：催化燃烧 工 业 排 放 NOx：催化还
3、原N2 机 动 车 尾 气： 三效催化剂(CO、NOx、CHx) 化工过程的绿色化： 催化剂的应用 无毒催化剂代替有毒催化剂,8,能源开发、利用 石 油：提高原油利用率 天然气：合成液体燃料(合成油、甲醇、 二甲醚) 煤 ：间接液化制液体燃料 生物质：燃料,催化剂的作用,9,手性催化与制药工业 多巴(dopa)：左旋治疗帕金森的药物 右旋毒物 Mansanto公司三位科学家采用不对称膦配体的Ru络合物催化剂，合成左旋体95的产物，并实现产业化。 获2001年诺贝尔化学奖,催化剂的作用,10,课程主要内容,基本原理：催化剂与催化作用 表面吸附与孔内扩散 各类催化剂及其作用： 酸碱/金属/氧(硫)
4、化物/络合催化剂 催化剂的制备与使用 环境保护催化 工业催化剂的活性评价与物性的表征,11,主要参考书,工业催化剂手册 黄仲涛主编 化学工业出版社 工业催化 黄仲涛主编 化学工业出版社 工业应用催化剂 金杏妹编著 华东理工大学出版社 催化剂工程导论 王尚弟 孙俊全 化学工业出版社 催化剂工程 储伟主编 四川大学出版社 催化科学导论 廖代伟编著 化学工业出版社 催化作用基础 甄开吉等编 科学出版社,12,催化期刊,英 文 Journal of Catalysis (IF6) Advanced Synthesis B:Enzymatic Catalysis Communication Cataly
5、sis Letters Catalysis Today Topics in Catalysis Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis Kinetics & Catalysis (Reaction Kinetics and Catalysis Letters) Studies in Surface Science and Catalysis ACS Catalysis Catal Sci Tech ChemCatChem,13,催化期刊,Angew Chem Int Edit (IF13) J Am Chem Soc (IF9) Chem Com
6、mun (IF6) Chem Lett J Phys Chem C Chem Mater (IF7) J Mater Chem(IF5) Green Chem,英 文,Fuel Fuel Process Techn Energy & Fuels Energy Conv Manag Ind Eng Chem Res Chem Eng J Chem Eng Sci J Nat Gas Chem Micro Mesor Mater,14,催化期刊,中 文 催化学报 分子催化 工业催化,化学学报 高等学校化学学报 物理化学学报 无机化学学报 燃料化学学报 化工学报 高校化学工程学报 石油学报(石油加工
7、) 精细化工 石油化工 天然气化工,15,1 催化剂与催化作用基本知识,1.1 催化剂的定义与特征 1.2 催化剂及催化反应的分类 1.3 固体催化剂的组成与结构 1.4 催化剂的反应性能及对工业催 化剂的要求 1.5 多相催化反应体系的分析,16,1.1 催化剂的定义与特征,催化剂的定义 能改变化学反应的速度 不改变化学反应的热力学平衡位置 本身在化学反应中不被明显地消耗,催化作用：指催化剂对化学反应所产生的效应,17,1.1 催化剂的定义与特征,催化剂的特征 只能改变热力学上可进行的化学反应 只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的位置。 G= - RT InKp 化学平衡常数Kp的大小取
8、决于反应温度T和G，而G是状态函数，与过程无关。,18,催化剂的特征,对于可逆反应，由于 K平k正/k逆 能加速正反应速度的催化剂也能同样程度地加速逆反应的速度 上述特征可用于催化剂的初步筛选 如对于合成甲醇、合成氨等的正反应，都需要高压设备，很不方便，因此，可采用常压下的逆反应来初步筛选催化剂。,19,催化剂的特征,催化剂参与化学反应 ：通过改变反应历程、降低活化能而改变反应速度（催化作用机理） 能加快化学反应的速度，也能减慢化学反应的速度,20,催化剂的特征,催化剂对反应的类型、方向及产物的结构具有选择性 一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用 如SiO2-Al2O3催化剂对酸碱反应具有催
9、化作用，但对合成氨反应却无效 利用不同的催化剂，可以使反应有选择性地朝某一个需要的方向进行，生产所需的产品。 实例,21,1.2 催化反应和催化剂的分类,催化反应的分类 按反应系统物相的均一性 均相：催化剂与反应物形成均一相 非均相(多相)：催化剂与反应物处于不同相 酶：酶本身是液体均匀分散在水溶液中（均相），但反应却从反应物在其表面上的积聚开始（多相），因此同时具有均相和多相的性质。,22,催化反应的分类,按反应类型 加氢 脱氢 氧化 聚合 裂解等 优点：便于比较同类型反应的特点 Ni催化剂：烯烃/苯 加氢 V2O5催化剂：苯/邻二甲苯 氧化,23,催化反应的分类,按反应机理 酸碱型反应：催
10、化剂与反应物通过电子对的接受而配位，或发生强烈极化，形成离子型活性中间体物种进行的催化反应。 氧化还原型反应：催化剂与反应物通过单个电子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。,24,催化剂的分类,按催化剂的元素及化合态分类 金属、金属氧(硫)化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形态 导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类 石油炼制工业、化肥工业、环境保护等,25,1.3 固体催化剂的组成与结构,固体催化剂的组成 固体催化剂是工业催化过程中最普遍的一类 催化剂 按组分的多少分成单组分(元)和多组分(元)催化剂 单组分催化剂：氨氧化制硝酸的铂催化剂 多组分催化剂：主催化剂、助催化剂和载体,
11、26,固体催化剂的组成,主催化剂（活性组分） 没有它就没有所需要的催化作用 如：加氢催化剂Ni/Al2O3中的Ni 合成氨催化剂Fe-Al2O3-K2O中的Fe 共催化剂 和主催化剂同时起催化作用的组分,27,固体催化剂的组成,助催化剂 本身没有活性或者活性很小可以忽略，但却能显著改善催化剂的性能（活性、选择性和稳定性）。,28,助催化剂的分类及其作用,结构型助催化剂 电子(调变)型助催化剂 扩散型助催化剂(致孔剂) 毒化型助催化剂,结构型助催化剂,提高活性组分的分散度，从而提高其催化活性。 （如合成甲醇Cu-ZnO-Al2O3催化剂中的Al2O3，提高了Cu的比表面积，从而提高其反应活性。）
12、,增加催化剂活性组分微晶的稳定性，延长催化剂的寿命。 （如合成氨催化剂中的Al2O3，与活性组分Fe形成了固溶体，有效阻止了Fe的烧结，从而大大延长催化剂的寿命:几小时几年。）,30,电子(调变)型助催化剂,改变催化剂活性组分的结构和化学特性，提高催化剂的性能。 （如合成氨催化剂中的K2O，可使Fe催化剂的逸出功降低，从而提高其催化活性。）,31,扩散型助催化剂,改变催化剂的孔结构，改善催化剂的扩散性能。 如：矿物油、淀粉或有机高分子 （致孔剂）,32,毒化型助催化剂,毒化有害的活性中心，消除其所造成的副反应，从而提高目的产物的选择性和催化剂的稳定性。 如酸催化剂中加入碱性物质，毒化引起积炭副
13、反应的强酸中心，减少积炭的生成。,33,载体的作用,分散作用 稳定化作用 支撑作用 传热和稀释作用 助催化作用,34,常用的载体,低比表面积载体 对催化剂的活性影响很小，但热稳定性高，常用于高温反应和强放热反应。如乙烯氧化制环氧乙烷银催化剂中的-Al2O3。 高比表面积载体 因具有酸性或碱性，会影响催化剂的性能。如SiO2、Al2O3、活性炭、分子筛等。,35,常用的载体,低比表面积载体,高比表面积载体,36,1.3.2 催化剂的结构,分散度 化合态 物相 均匀度,37,1.4 催化剂的反应性能及要求,1.4.1 催化剂的反应性能 1.4.2 对工业催化剂的要求,38,1.4.1 催化剂的反应
14、性能,活性：指催化剂对反应加速的程度 选择性：指所消耗的原料中转化成目 的产物的分率 稳定性：指催化剂在使用条件下具有 稳定活性的时间,39,(1) 催化剂的活性,活性的表示方法： 反应速率 反应速率常数 转化率,40,反应速率：单位时间内，单位质量(体积、表面积)催化剂上反应物的转化量或产物的生成量。 rm、 rv、 rs 转换频率（Turnover frequency, TOF)：指单位时间内每个催化活性中心上发生反应的次数。,催化剂活性的表示方法,41,催化剂活性的表示方法,式中 W反应器中催化剂的填充质量 dnA反应物在dt时间内减少的物质的量 dnp反应产物在dt时间内增加的物质的量
15、,42,时空收率：每小时每升或每公斤催化 剂所得到的产物量。 单程收率 总收率,催化剂活性的表示方法,43,反应速率常数 kc=r/f(c) kp=r/f(p),催化剂活性的表示方法,44,转化率 CA=反应物A转化掉的量/流经催化剂床层反 应物A的总量100% 可用完成一定转化率所需的反应温度的高低来比较：反应温度越低，活性越高。 还可用完成一定转化率所需的空速来比较：空速越高活性越好。,催化剂活性的表示方法,45,空速(Space velocity)：单位时间内，单位质量或体积催化剂所能处理的反应物量。 空速越大，表明催化剂的处理能力越强。 空速的倒数为接触时间 重时空速(weight hourly space velocity, WHSV) 液时空速(liquid hourly space velocity, LHSV) 气时空速(gas hourly space velocity, GHSV),空速,46,选择性转化成目的产物的原料量/总转化 掉的原料量100 选择性目的产物的产率/原料的转化率100 产率：指消耗于生成目的产物的反应物量与反应 物进料总量的百分比 产率转化率选择性,(2) 催化剂的选择性,47,B(目的产物)
