催化剂制造工——概述

1、 催化剂制造工催化剂制造工 概述概述蒋飞华蒋飞华2011.7.292011.7.291.1.催化剂发展历史催化剂发展历史 目目 录录2.2.催化剂定义与分类催化剂定义与分类 3.3.催化反应及分类催化反应及分类 4.4.石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂 5.5.煤化工和煤化工催化剂煤化工和煤化工催化剂 催化剂发展历史催化剂发展历史 “ “催化作用催化作用”作为一个化学概念，是作为一个化学概念，是18361836年瑞典化年瑞典化学家李巴乌提出来的，到学家李巴乌提出来的，到18941894年德国化学家年德国化学家欧斯伐欧斯伐始认始认为催化剂是一种可以改变一个化学反应速度，而又不存为催化剂是

2、一种可以改变一个化学反应速度，而又不存在于产物中的物质。进入在于产物中的物质。进入2020世纪后，工业催化剂才有了世纪后，工业催化剂才有了真正的发展，大致分为三个阶段：真正的发展，大致分为三个阶段：第一阶段：第一阶段：1900-19351900-1935年工业催化剂起步阶段年工业催化剂起步阶段第二阶段：第二阶段：1936-19801936-1980年工业催化剂飞速发展阶段年工业催化剂飞速发展阶段第三阶段：第三阶段：19801980年以后工业催化剂步入成熟阶段年以后工业催化剂步入成熟阶段催化剂定义与分类催化剂定义与分类1.1.定义三要点一特点定义三要点一特点p可以加速或减缓一个热力学上允许的化可

3、以加速或减缓一个热力学上允许的化学反应。学反应。p是一种不是反应物也不是产物的物质。是一种不是反应物也不是产物的物质。p反应结束时该物质没有消耗。反应结束时该物质没有消耗。p特点：不改变化学平衡，由热力学决定，特点：不改变化学平衡，由热力学决定，既能加速，又能减速。既能加速，又能减速。催化剂定义与分类催化剂定义与分类2.2.催化剂分类催化剂分类从理论上讲，无论气体、液体、还是固体，均可以作为催化剂。从理论上讲，无论气体、液体、还是固体，均可以作为催化剂。p 按催化来源分：生物催化剂按催化来源分：生物催化剂酶催化（核酸催化）酶催化（核酸催化） 非生物催化剂非生物催化剂化学催化化学催化p 化学催化

4、剂分类：按照化学键类型分、按照元素周期表分、化学催化剂分类：按照化学键类型分、按照元素周期表分、按照催化剂成分及使用功能分、按照工艺与工程特点分等。按照催化剂成分及使用功能分、按照工艺与工程特点分等。p 我国工业催化剂分类：石油炼制、无机化工、有机化工、环我国工业催化剂分类：石油炼制、无机化工、有机化工、环境保护和其他催化剂境保护和其他催化剂5 5大类。大类。p 工业上重要的催化剂分类：酸、碱、盐催化剂，过渡金属氧工业上重要的催化剂分类：酸、碱、盐催化剂，过渡金属氧化物和硫化物催化剂，金属催化剂，金属有机化合物催化剂化物和硫化物催化剂，金属催化剂，金属有机化合物催化剂4 4大大类，其中固体酸催

5、化剂是炼油工业用量最大的催化剂。类，其中固体酸催化剂是炼油工业用量最大的催化剂。催化剂定义与分类催化剂定义与分类3.3.工业重要催化剂简单介绍工业重要催化剂简单介绍p 酸、碱、盐催化剂酸、碱、盐催化剂酸、碱型机理，起催化作用酸、碱型机理，起催化作用与它们对质子和电子对的亲和力有关。比如与它们对质子和电子对的亲和力有关。比如H H2 2SOSO4 4、H H3 3POPO4 4用于水解，用于水解，NiSONiSO4 4用于水和，用于水和，SiOSiO2 2-Al-Al2 2O O3 3、酸性沸石（分、酸性沸石（分子筛）利用表面酸性催化烃类的裂解反应。子筛）利用表面酸性催化烃类的裂解反应。p 过渡

6、金属氧化物和硫化物催化剂过渡金属氧化物和硫化物催化剂氧化还原型机氧化还原型机理，利用过渡金属离子容易改变原子价，易氧化还原。理，利用过渡金属离子容易改变原子价，易氧化还原。比如比如V-OV-O，Mo-O,Cu-OMo-O,Cu-O等用于催化氧化；等用于催化氧化；Mo-COMo-CO、Ni-WNi-W等等用于加氢处理。用于加氢处理。催化剂定义与分类催化剂定义与分类3.3.工业重要催化剂简单介绍工业重要催化剂简单介绍p 金属催化剂金属催化剂多为过渡金属元素，对含有氢和烃的多为过渡金属元素，对含有氢和烃的反应尤其有强的催化性能，因这些物质很容易在金属表反应尤其有强的催化性能，因这些物质很容易在金属表

7、面吸附。比如面吸附。比如NiNi、PdPd、PtPt、FeFe等用于催化加氢；贵金属等用于催化加氢；贵金属PdPd、PtPt、AgAg等用于氧化反应。等用于氧化反应。p 金属有机化合物催化剂金属有机化合物催化剂也称过渡金属配合物催化也称过渡金属配合物催化剂，是配位催化机理的反应常用的催化剂，比如烯烃聚剂，是配位催化机理的反应常用的催化剂，比如烯烃聚合的合的Al(CAl(C2 2H H5 5) )3 3( (三乙基铝三乙基铝) )。催化反应及分类催化反应及分类1.1.催化反应催化反应 有催化剂参与的反应就是催化反应有催化剂参与的反应就是催化反应2.2.催化反应分类催化反应分类p 按物相分类，可分

8、两大类：按物相分类，可分两大类： 均相催化：催化剂与反应物为相同的物相均相催化：催化剂与反应物为相同的物相 多项催化：催化剂与反应物为不同的物相多项催化：催化剂与反应物为不同的物相 （酶催化反应：同时具有均相和多相性质）（酶催化反应：同时具有均相和多相性质）p 普遍原理：普遍原理： 向降低活化能的方向进行，满足阿伦尼乌斯向降低活化能的方向进行，满足阿伦尼乌斯(Arrhenius)(Arrhenius)定律，定律，E E低，低，k k高。高。催化反应及分类催化反应及分类F反应活化能反应活化能(E)(E) 分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态

9、所需要的能量，即在反应物转变成产物之前所提供给反应物的能量。能量，即在反应物转变成产物之前所提供给反应物的能量。 克服反应能垒所需要的能量克服反应能垒所需要的能量催化剂能显著降低反应活化能催化剂能显著降低反应活化能F 阿伦尼乌斯（阿伦尼乌斯（ArrheniusArrhenius）定律）定律p 又称反应速率指数定律，是表示速率常数又称反应速率指数定律，是表示速率常数k k对对T T的依赖关系的经验公式，亦称为阿伦尼的依赖关系的经验公式，亦称为阿伦尼乌斯方程。乌斯方程。该定律除对所有的该定律除对所有的元反应元反应适用外，适用外，对于一大批（不是全部）对于一大批（不是全部）复杂反应复杂反应也适用。也

10、适用。 p 方程式方程式:k=Ae:k=Ae-E/RT-E/RT。R R：摩尔气体常数，：摩尔气体常数，A A：指前因子，：指前因子，E E：活化能：活化能催化反应及分类催化反应及分类催化反应及分类催化反应及分类2.2.催化反应分类催化反应分类p 按反应单元分类，可分为：催化加氢、催化按反应单元分类，可分为：催化加氢、催化脱氢、催化氧化、催化裂化等。脱氢、催化氧化、催化裂化等。p 按反应机理分类，可分为：酸碱型机理催化按反应机理分类，可分为：酸碱型机理催化反应，如反应，如H H2 2SOSO4 4、H H3 3POPO4 4、分子筛等；氧化还原型、分子筛等；氧化还原型机理催化反应，如过渡金属及

11、其化合物等；配机理催化反应，如过渡金属及其化合物等；配位催化机理型催化反应，如贵金属催化剂等。位催化机理型催化反应，如贵金属催化剂等。题型范例及应用解答题型范例及应用解答p催化剂只能是纯净物。催化剂只能是纯净物。 正确答案正确答案：催化剂可能是纯净物，也可能是混合物催化剂可能是纯净物，也可能是混合物p对催化剂的理解为对催化剂的理解为( () )。 A.A.不参与反应过程不参与反应过程 B.B.能改变化学平衡能改变化学平衡 C.C.参与化学方程式计量参与化学方程式计量 D.D.能改变反应速度能改变反应速度p催化剂都是固体的。催化剂都是固体的。 正确答案正确答案：可以是液体、气体可以是液体、气体

12、正确答案正确答案：也可以降低反应速度：也可以降低反应速度正确答案正确答案： D D p催化剂只能加快反应速度。催化剂只能加快反应速度。 题型范例及应用解答题型范例及应用解答p在多相催化反应过程中在多相催化反应过程中( () )。A.A.催化剂只能处于固相催化剂只能处于固相 B.B.反应物和催化剂处于不同物相反应物和催化剂处于不同物相C.C.反应物肯定处于气相反应物肯定处于气相 D.D.反应物肯定处于液相反应物肯定处于液相 p催化剂之所以能加快反应速度，是因为催化剂之所以能加快反应速度，是因为 ( () )。A.A.催化剂能使反应的活化能增加催化剂能使反应的活化能增加 B.B.催化剂能使反应的活

13、化能降低催化剂能使反应的活化能降低C.C.催化剂使反应温度提高了催化剂使反应温度提高了 D.D.催化剂使反应温度降低了催化剂使反应温度降低了 正确答案正确答案： B B 正确答案正确答案： 正确答案正确答案： B B p炼油催化剂属于非生物催化剂炼油催化剂属于非生物催化剂。 题型范例及应用解答题型范例及应用解答p催化剂与化学平衡的关系为催化剂与化学平衡的关系为( () )。A.A.催化剂能改变平衡时反应物的浓度催化剂能改变平衡时反应物的浓度 B.B.催化剂能改变平衡时产物的浓度催化剂能改变平衡时产物的浓度C.C.催化剂能改变平衡常数的大小催化剂能改变平衡常数的大小 D.D.催化剂能改变反应到达

14、平衡的时间催化剂能改变反应到达平衡的时间 p催化剂之所以能加快反应速度，是因为催化剂之所以能加快反应速度，是因为 ( () )。A.A.催化剂能使反应的活化能增加催化剂能使反应的活化能增加 B.B.催化剂能使反应的活化能降低催化剂能使反应的活化能降低C.C.催化剂使反应温度提高了催化剂使反应温度提高了 D.D.催化剂使反应温度降低了催化剂使反应温度降低了 正确答案正确答案： D D 正确答案正确答案： B B p催化可划分为生物催化和非生物催化两大领域，后者可催化可划分为生物催化和非生物催化两大领域，后者可简称为化学催化（简称为化学催化（ ）。）。 正确答案正确答案： p催化剂参与化学反应过程

15、不会改变反应活化能。催化剂参与化学反应过程不会改变反应活化能。题型范例及应用解答题型范例及应用解答 正确答案正确答案：催化剂参与化学反应过程能降低反应活化能。催化剂参与化学反应过程能降低反应活化能。p催催化剂参与化学反应过程降低反应活化能从而加快了反应速度。化剂参与化学反应过程降低反应活化能从而加快了反应速度。p简述活化能的概念。简述活化能的概念。答答：能发生有效碰撞的分子的能量必须超过普通分子的平均：能发生有效碰撞的分子的能量必须超过普通分子的平均能量，该超过的能量称为该反应的活化能。能量，该超过的能量称为该反应的活化能。正确答案正确答案： p炼油工业中的催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂

16、炼油工业中的催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化都属于均相催化反应（化都属于均相催化反应（ ）。）。 正确答案正确答案：也存在非均相反应。：也存在非均相反应。 石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂1.1.催化剂在石油工业发展中重大作用催化剂在石油工业发展中重大作用 石油化学工业的特点是以使用碳氢化合物石油化学工业的特点是以使用碳氢化合物( (包包括石油和天然气括石油和天然气) )为原料，生产化学工业所需的各为原料，生产化学工业所需的各种中间体和相应产品。整个石油化学工业涉及的各种中间体和相应产品。整个石油化学工业涉及的各种形式的化学反应，如裂解、重整、氧化、加氢、种形式的化学反应，如裂解

17、、重整、氧化、加氢、脱氢、烷基化、聚合等等，没有催化剂的存在都很脱氢、烷基化、聚合等等，没有催化剂的存在都很难进行。因此，新催化过程的开发和催化剂的改进难进行。因此，新催化过程的开发和催化剂的改进与更新换代对石油化学工业的发展有着巨大的作用。与更新换代对石油化学工业的发展有着巨大的作用。石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂2.2.石油化工一些主要工艺说明石油化工一些主要工艺说明p 催化裂化催化裂化高温下重质油裂解成分子较小的碳高温下重质油裂解成分子较小的碳氢化合物（如汽油），并同时得到烯烃和芳烃等化氢化合物（如汽油），并同时得到烯烃和芳烃等化工原材料。工原材料。p 催化重整催化重整烃类的分

18、子结构重新排列成新的结烃类的分子结构重新排列成新的结构，主要制取构，主要制取“三苯三苯”或高辛烷值汽油。或高辛烷值汽油。p 氧化还原氧化还原将碳氢化合物转化成高附加值化学将碳氢化合物转化成高附加值化学中间体的工艺过程。中间体的工艺过程。石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂2.2.石油化工一些主要工艺说明石油化工一些主要工艺说明p 加氢脱硫加氢脱硫将原料油中的硫进行脱除，保将原料油中的硫进行脱除，保护催化剂、设备腐蚀及环境。护催化剂、设备腐蚀及环境。p 烯烃聚合烯烃聚合利用此反应生产聚丙烯和聚乙利用此反应生产聚丙烯和聚乙烯（塑料）。烯（塑料）。1.1.催化剂组成催化剂组成 催化剂中起催化作用

19、的主要部分为具有催化活催化剂中起催化作用的主要部分为具有催化活性的物质，称为活性组分。催化剂可以由单一的活性组性的物质，称为活性组分。催化剂可以由单一的活性组分构成，也可以由多组分构成，还可以由除活性组分外，分构成，也可以由多组分构成，还可以由除活性组分外，再加上改善催化剂性能的助剂和载体组成。再加上改善催化剂性能的助剂和载体组成。F 催化剂由单一组分构成时，即为活性组分，对于固体催化剂由单一组分构成时，即为活性组分，对于固体催化剂称为无载体催化剂，如：硅铝酸催化剂。催化剂称为无载体催化剂，如：硅铝酸催化剂。F 催化剂由多组分构成，为多组分的复合物，如催化剂由多组分构成，为多组分的复合物，如C

20、uO-CuO-Cr2O3Cr2O3催化剂。催化剂。石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂2.2.固体催化剂固体催化剂 一般由活性组分、助剂和载体三部分组成。一般由活性组分、助剂和载体三部分组成。F 活性组分活性组分是催化剂产生活性的部分，如分子筛裂化催化剂内是催化剂产生活性的部分，如分子筛裂化催化剂内的各类分子筛。的各类分子筛。F 助剂助剂是自身没有或活性很低的物质，少量加到催化剂中后，是自身没有或活性很低的物质，少量加到催化剂中后，与活性组分产生作用，显著改善了催化剂的活性和选择性。如在与活性组分产生作用，显著改善了催化剂的活性和选择性。如在苯加氢的铜催化剂中加入镍作助剂。苯加氢的铜催化剂

21、中加入镍作助剂。F 载体载体不仅对活性组分起到机械承载作用，而且对某些反应，不仅对活性组分起到机械承载作用，而且对某些反应，载体也具有一定活性，甚至与活性组分强相互作用，形成具有催载体也具有一定活性，甚至与活性组分强相互作用，形成具有催化性能的新表面物种。如化性能的新表面物种。如COCO和和H2H2反应，活性组分钯载在碱性载体反应，活性组分钯载在碱性载体上，产物是甲醇；载在酸性载体上，产物是甲烷。上，产物是甲醇；载在酸性载体上，产物是甲烷。石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂3.3.催化剂载体催化剂载体 催化剂载体可增加催化反应有效表面并提供合催化剂载体可增加催化反应有效表面并提供合适的孔

22、结构，改善催化剂抗腐蚀、冲击和受压的机械强适的孔结构，改善催化剂抗腐蚀、冲击和受压的机械强度，提高热稳定性和抗毒能力，提供活性中心和活性组度，提高热稳定性和抗毒能力，提供活性中心和活性组分形成活性更高的新化合物，同时减少活性组分用量以分形成活性更高的新化合物，同时减少活性组分用量以降低催化剂成本。降低催化剂成本。4.4.催化剂载体分类催化剂载体分类 催化剂载体可按相对活性或载体物质的比表面催化剂载体可按相对活性或载体物质的比表面大小分类。详细分类见大小分类。详细分类见P4P4。石油工业发展与催化剂石油工业发展与催化剂题型范例及应用解答题型范例及应用解答p载体可以提高分子筛对热、蒸汽和机械磨损的

23、稳定性，并载体可以提高分子筛对热、蒸汽和机械磨损的稳定性，并且可以降低制造成本且可以降低制造成本( () )。正确答案正确答案： p分子筛催化剂的载体性能对催化剂催化剂的稳定性没有很分子筛催化剂的载体性能对催化剂催化剂的稳定性没有很大影响大影响（ ）。）。 正确答案正确答案：分子筛催化剂的载体性能对催化剂催化剂的稳定分子筛催化剂的载体性能对催化剂催化剂的稳定性有很大影响。性有很大影响。p简述一般的工业催化剂主要组成部分。简述一般的工业催化剂主要组成部分。 答答：一般的工业催化剂：一般的工业催化剂主要由活性组分、助催化剂和载体组成主要由活性组分、助催化剂和载体组成。 题型范例及应用解答题型范例及

24、应用解答p载体种类、性质会对催化剂性能产生很大影响载体种类、性质会对催化剂性能产生很大影响( () )。正确答案正确答案： p载体不与活性组分形成新的化合物载体不与活性组分形成新的化合物（ ）。）。 正确答案正确答案：载体与活性组分形成新的化合物载体与活性组分形成新的化合物 。p载体能提高催化剂的热稳定性，提供活性中心载体能提高催化剂的热稳定性，提供活性中心（ ）。）。 p载体不能提高催化剂的机械强度载体不能提高催化剂的机械强度（ ）。）。 正确答案正确答案：载体能提高催化剂的机械强度载体能提高催化剂的机械强度 。正确答案正确答案： 煤化工和煤化工催化剂煤化工和煤化工催化剂1.1.煤化工发展煤

25、化工发展 半个世纪以来，化工原材料经历了由煤半个世纪以来，化工原材料经历了由煤石油石油( (天然气天然气)煤的变化。在煤的变化。在4040、5050年代大宗化工产品年代大宗化工产品主要是由煤，通过制得乙炔制成。第二次世界大战主要是由煤，通过制得乙炔制成。第二次世界大战以后，石油化工获得了迅猛发展。以后，石油化工获得了迅猛发展。7070年代初期，由年代初期，由于能源危机，化学工业又转向煤为原料的于能源危机，化学工业又转向煤为原料的C C1 1化学。化学。随着石油的不断消耗，煤化工和煤化工催化剂近来随着石油的不断消耗，煤化工和煤化工催化剂近来发展较快。发展较快。煤化工和煤化工催化剂煤化工和煤化工催化剂2.2.煤化工介绍煤化工介绍 煤化工是以煤为原料，经化学加工转化为气体、煤化工是以煤为原料