第01-02章 绪论 催化作用和与催化剂.ppt

工业催化 课程说明 总学时为32学时章节数为12章重点章节为第3和4章课堂讲授为主 结合自学 讨论 习题以及考试考核方式 闭卷考试70 平时30 联系电话子邮箱 drchengyz 课件邮箱 sdutcheng password kejian 第一章绪论 4 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 1836年 J J Berzelius提出 catalysis cata lysis 催化作用 下降 分裂催化剂破坏阻碍分子反应的正常力 催化剂具有催化作用和催化力 淀粉在酸的存在下转化为葡萄糖 5 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 1 基础化工催化工艺的开发期 19世纪后半叶到20世纪的前20年 19世纪60年代 开发了用氯化铜为催化剂使氯化氢进行氧化以制取氯气的Deacon 迪肯 工艺过程 1875年 德国人E 雅各布在克罗伊茨纳赫建立了第一座生产发烟硫酸的接触法装置 并制造所需的铂催化剂 这是固体工业催化剂的先驱 铂是第一个具有工业意义的催化剂 现在铂仍然是许多重要工业催化剂中的催化活性组分 1903年Ostwald开发氨在铂网上被氧化物氧化氮 以制备硝酸 6 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 1 基础化工催化工艺的开发期 1905年 Ipatieff 伊帕季耶夫 以白土为催化剂进行了烃类的转化 包括脱氢 异构化 叠合等 为后来的石油加工工业奠定了基础 1910年 Haber和Bosch以Fe为催化剂用N2和H2合成氨 1923年 BASA公司以H2和CO高压合成甲醇 1925年 美国科学家MurrayRaney发明RaneyNi 雷尼镍 催化剂 1930年 F T 费 托 Fischer Tropsch 由水煤气合成液体燃料 石油 7 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 2 炼油和石油化工发展时期 20世纪30 70年代 19世纪末内燃机的问世使汽油和柴油的需求猛增 仅靠原油的蒸馏 即原油的一次加工 不能满足需求 于是诞生了以增产汽 柴油为目的 综合利用原油各种成分的原油二次加工工艺 如1913年实现了热裂化 1930年实现了焦化 1930年实现了催化裂化 1940年实现了催化重整等 此后加氢技术也迅速发展 这就形成了现代的石油炼制工业 20世纪50年代以后 石油炼制为化工产品的发展提供了大量原料 形成了现代的石油化学工业 8 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 2 炼油和石油化工发展时期 1929年 E J Houdry开发流化床催化裂化工艺 FCC 这是一个最重要的石油炼制工艺 1937年 Ipatieff和其学生Pines发明高辛烷值的叠合汽油和烷基化汽油 同年 其另一位学生Haensel创建了催化重整工艺 催化裂化和催化重整工艺的创建 大大加速了炼油工业的发展 1941年开始了从石油轻质馏分催化重整制取芳烃的新工艺 同年从烃类裂解气体中分离出合成橡胶的重要单体丁二烯 20世纪50年代 在裂化技术基础上开发了以制取乙烯为主要目的的烃类水蒸汽高温裂解技术 9 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 3 合成高分子材料工业的兴起 在20世纪30年代 高分子合成材料大量问世 按工业生产时间排序为 1931年为氯丁橡胶和聚氯乙烯 1933年为高压法聚乙烯 1935年为丁腈橡胶和聚苯乙烯 1937年为丁苯橡胶 1939年为尼龙66 第二次世界大战后石油化工技术继续快速发展 1950年开发了腈纶 1953年开发了涤纶 1957年开发了聚丙烯 10 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 3 合成高分子材料工业的兴起 Ziegler Natta 齐格勒 纳塔 体系催化剂 主要以Ti Cr Co Ni等为催化剂 制备高密度聚乙烯 HDPE 聚丙烯 PP 和聚丁二烯橡胶等 该催化剂的发现既开创了新的聚烯烃工业 也引发了金属有机化合物催化剂的研究 茂金属等规聚丙烯催化剂 1980年 德国科学家Kaminsky和Sinn发明了烯烃聚合的茂金属单活性中心催化剂 SSC singlesitecatalyst 茂金属催化剂制备的等规聚丙烯与Ziegler Natta催化剂的聚合物相比 具备硬度高 透光率强 相对分子质量分布窄 无超高相对分子质量聚合物等特点 11 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 4 择形催化与新一代石油炼制工业 择形催化 shape selectivecatalysis 是1960年Weisz和Frilette在研究小孔沸石的催化反应过程时首创的一个名词 用来描述这类分子筛的独特催化性能 他们发现以分子筛做催化剂时 反应主要在分子筛晶体内进行 而且只有那些大小和形状与沸石孔道相匹配 能够扩散进出通道的分子才能成为反应物和产物 所以称为择形催化 与传统的无定形催化剂相比 沸石催化剂的活性要高得多 且目标产物的产率显著提高 故人们常将FCC中的沸石催化剂作为石油工业真正革命的标志 12 2020 2 18 1 1工业催化发展简史 5 手性催化和制药工业 当一个手性化合物进入生命体时 它的两个对映异构体通常会表现出不同的生物活性 对于手性药物 一个异构体可能是有效的 而另一个异构体可能是无效甚至是有害的 手性制药就是利用化合物的这种原理 开发出药效高 副作用小的药物 手性制药是医药行业的前沿领域 2001年诺贝尔化学奖就授予分子手性催化的主要贡献者 采用不对称膦配体的Ru络合物催化剂均相催化加氢合成左旋多巴L dopa 13 2020 2 18 1 2催化发展方向 在分子水平上设计催化剂发展高速测试和合成催化剂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 14 2020 2 18 1 3工业催化的重要性 催化在国民经济中起着十分重要的作用 它在炼油 化工 环保 制药 能源 材料等行业中已创造出巨大的经济效益和社会效益 特别是目前人们面临着能源利用 环境保护等重大问题 都要依赖于催化过程来解决 催化科学已成为发展现代工业和高新技术不可缺少的科学基础 催化化学是化学学科的一门重要的分支科学 它综合性强 内容涉及化学 物理学 生物学和材料学等学科知识 开设这门课具有重要的理论意义和应用价值 15 2020 2 18 1 4课程主要内容 绪论 工业催化简介基础原理 第2 3章 催化化学的基本概念 特征和 原理等各类催化剂 第4章 各类催化剂及其催化作用催化新领域 第5 8章 催化在能源 环保 材料和生物方面的新应用催化剂的开发 第9 12章 催化剂设计 制备 使用 评价和表征 16 2020 2 18 1 5参考文献 重要学科性期刊 JournalofCatalysis 2 AppliedCatalysis 3 Catalysistoday 4 CatalysisReview 5 Reactionkineticsandcatalysisletters 6 Journalofmolecularcatalysis 7 SurfaceScience1 催化学报 2 燃料化学学报 3 分子催化 4 物理化学 5 应用化学6 石油学报 重要技术工程期刊 1 Chemtech 2 ChemicalandEngineeringNews 3 ChemicalEngineering 4 ChemicalEngineeringProgress 5 HydrocarbonProcessing 6 OilandGasJournal1 化工学报 2 化学工程 3 化学工程与工艺 4 工业催化 5 天然气化工 6 石油化工 17 2020 2 18 1 5参考文献 专利 国家对发明者的知识产权通过专利予以保护 它可以保护专利的发明人 使其对这种技术产权不受竞争者的侵犯 这是政府给予专利申请人的权利 如果第三者要在生产中使用这种技术 则必须得到专利权所有者的同意 通过技术转移 技术转让等方式 才能实施 但是在任何一个实验室中则可以无条件的使用任何专利所披露的技术秘密 而在专利中拥有大量的有关催化过程 催化剂制造以及催化剂评选等的技术 除发明催化剂的作者将催化技术公诸于期刊 会议外 专利是催化方面主要的信息来源 18 2020 2 18 1 5参考文献 书籍 1 催化化学 增补重印 吴越 19982 实用多相催化 CharlesN Satterfield 庞礼等译 3 催化作用基础 第三版 甄开吉4 工业催化过程导论 顾伯锷 吴震霄5 工业催化基础 赵光 邓启刚 第二章催化作用与催化剂 20 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 1 定义 根据IUPAC于1981年提出的定义 催化剂 catalyst 是一种物质 它能够改变反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化 这种作用称为催化作用 涉及催化剂的反应为催化反应 催化剂 是一种能够改变一个化学反应的速度 却不改变化学反应热力学平衡位置 本身在化学反应中不被明显消耗的化学物质 催化作用 指催化剂对化学反应所产生的效应 催化剂可使特定的反应循阻力较小的途径进行 降低所需的活化能 从而使反应加速 21 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 图中虚线表示反应物循非催化反应途径转变成产物 活化能为E 当存在某种固体催化剂时 其反应途径如实线所示 第一步 反应物与催化剂作用 变成吸附态的反应物 活化能为E1 第二步 吸附态的反应物转变成吸附态的产物 活化能为E2 第三步 吸附态的产物脱附 变成产物并释放出催化剂 活化能为E3 虽然这两条途径的结果相同 但在催化反应途径中 各步骤的活化能均小于非催化反应途径的活化能 故阻力较小 反应加速 在催化反应途径中 催化剂虽然参与反应 但经历特定的循环后重新被释放出来 此循环过程称催化循环 22 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 23 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 2 催化作用的四个基本特征 催化剂只能加速热力学上可以进行的反应 而不能加速热力学上无法进行的反应 催化剂只能加速反应趋于平衡 而不能改变平衡的位置 平衡常数 且催化剂可同时加速正逆反应 催化剂对反应具有选择性 当反应有一个以上生成多种产物的方向时 催化剂仅加速其中的一种 促进反应的速率与选择性是统一的 在能发生多种反应的反应系统中 同一催化剂促进不同反应的程度的比较 如乙醇在高温时可脱氢转变成乙醛 亦可脱水转变成乙烯 银催化剂能促进前一反应 氧化铝催化剂则促进后一反应 24 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 2 催化作用的四个基本特征 25 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 2 催化作用的四个基本特征 催化剂由正常运转到更换所延续时间 寿命 催化剂在使用过程中 由于本身的变化 结焦 粉碎等原因 致使活性 选择性逐渐下降或床层阻力增加 出于技术 经济上的考虑 需要加以更换 工业装置上使用的催化剂有的只能工作几小时 有的可长达数年 在这期间 有的需要周期性的再生 26 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 判断催化剂加速某化学反应能力高低的量度 催化剂有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应的性能 化学稳定性 耐热稳定性 抗毒稳定性 机械稳定性 27 2020 2 18 2 1催化作用的定义和特征 催化指标 活性选择性稳定性 选择性稳定性活性 28 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 绝大多数工业催化剂有三类可以区分的组分 活性组分 载体 助催化剂 催化剂 活性组分助催化剂载体 化学活性 对活性组分 载体改性 具有高比表面 孔结构 机械强度等 29 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 活性组分 活性组分是催化剂的主要成分 可以是一种物质 也可能是多种物质组成 例如乙烯氧化制备环氧乙烷使用的银催化剂和丙烯氨氧化使用的氧化钼 氧化铋催化剂 也有称为主催化剂和共催化剂 在寻找和设计某种反应所需催化剂时 活性组分的选择是首要步骤 但是目前这种选择仍然基本上是经验性的 30 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 活性组分 活性组分是催化剂的主要成分 可以是一种物质 也可能是多种物质组成 例如乙烯氧化制备环氧乙烷使用的银催化剂和丙烯氨氧化使用的氧化钼 氧化铋催化剂 也有称为主催化剂和共催化剂 在寻找和设计某种反应所需催化剂时 活性组分的选择是首要步骤 但是目前这种选择仍然基本上是经验性的 31 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 载体 载体是催化剂活性组分的分散剂 黏合剂或支撑体 是负载活性组分的骨架 将活性组分 助催化剂组分负载于载体上所制得的催化剂称为负载型催化剂 32 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 助催化剂 催化剂中加入的另一种或者多种物质 本身不具活性或活性很小的物质 但能改变催化剂的部分性质 如化学组成 离子价态 酸碱性 表面结构 晶粒大小等 从而使催化剂的活性 选择性 抗毒性或稳定性得以改善 助催化剂按照作用机理不同一般可以分为结构型和电子型两类 结构型助催化剂 用于增进活性组分的比表面积或提高活性构造的稳定性 如氨合成用的铁 氧化钾 氧化铝催化剂中的氧化铝 氧化铝可以与活性铁形成固溶体 有效阻止铁的烧结 33 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 1 催化剂的组成 助催化剂 电子型助催化剂 其作用是调整催化剂主要活性组分的电子结构 表面性质或晶形结构 从而提高催化剂的活性和选择性 研究表明 金属的催化活性与其表面电子的授受能力有关 具有空成键轨道的金属 对电子有强的吸引力 而吸附能力的强弱和催化活性紧密相连的 如氨合成用的铁催化剂中 Fe有空的d轨道 可以接受电子 在Fe Al2O3中加入K2O后 K2O把电子传给Fe 使Fe原子的电子密度增加 提高其活性 所以K2O是电子型的助催化剂 34 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 2 载体的功能 提供有效的表面和合适的孔结构 Pt1 10nm之间分散度迅速降低 无载体的0 5 5nmPt粒子在400 500oC温度下 会迅速烧结 400oC下 1小时50nm 6个月变成200nm 若在载体上 烧结和聚集就大大降低 Ns 八面体晶粒表面原子数NT 晶粒中原子总数 35 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 2 载体的功能 增强催化剂的机械强度 使催化剂具有一定的形状 改善催化剂的热传导性 减少活性组分的含量 提供附加的活性中心 与活性组分之间的溢流现象和强相互作用 36 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 3 理想的催化剂载体应具备下列条件 具有能适合反应过程的形状和大小 有足够的机械强度 能经受反应过程中机械或热的冲击 有足够的抗拉强度 以抵抗催化剂使用过程中逐渐沉积在细孔里的副反应产物 如积碳 或污物而引起的破裂作用 有足够的比表面 合适的孔结构和吸水率 以便在其表面能均匀地负载活性组分和助催化剂 满足催化反应的需要 有足够的稳定性以抵抗活性组分 反应物及产物的化学侵蚀 并能经受催化剂的再生处理 37 2020 2 18 2 2催化剂的组成与载体的功能 3 理想的催化剂载体应具备下列条件 能耐热 并具有合适的导热系数 不含可使催化剂中毒或副反应增加的物质 原料易得 制备方便 在制备载体以及制备成催化剂时不会造成环境污染 能与活性组分发生有益的化学作用 能阻止催化剂失活 38 2020 2 18 2 3对工业催化剂的要求 催化剂的活性 判断催化剂加速某化学反应能力高低的量度 工业上常用给定温度下原料的转化率来表达 催化反应动力学中常用反应速率表达 催化剂的比活性 催化剂的比活性是相对于催化剂某一特定性质而言的活性 例如 催化剂每单位表面积上的活性 比活性 1 活性和选择性指标 39 2020 2 18 2 3对工业催化剂的要求 催化剂的选择性 催化剂有效地加速平行反应或串联反应中的某一个反应的性能 可以用已消耗的原料中转化为目的产物的分率表示 时空产率 一定条件下单位时间内单位体积或单位质量的催化剂所得产物的量 YT S 1 活性和选择性指标 40 2020 2 18 2 3对工业催化剂的要求 稳定性 催化剂的稳定性是指活性和选择性随着时间变化的情况 包括热稳定性 化学稳定性和机械稳定性三个方面 2 稳定性和寿命指标 41 2020 2 18 2 3对工业催化剂的要求 寿命 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消耗定额的允许使用时间 2 稳定性和寿命指标 42 2020 2 18 2 4均相催化剂的特征 均相催化 homogenouscatalysis 反应物与催化剂形成均一相气相或液相的催化反应 其中包括气体溶解于液相中的反应 液态酸碱催化剂 可溶性过渡金属化合物催化剂和