催化剂导论精选PPT.ppt
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1、关于催化剂导论1第1页,讲稿共92张,创作于星期日第一讲第一讲 本人简介本人简介绪论绪论催化剂与催化作用基本知识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催化剂的表面吸附和孔内扩散2第2页,讲稿共92张,创作于星期日本人简介:学历本人简介:学历l1986.9-1990.7l1990.9-1993.3l1998.9-2001.12浙江工业大学浙江工业大学化学工程系化学工程系工业分析工业分析专业专业本科本科上上 海海 工工 业业 大大 学学(现现 上上 海海 大大 学学)化化 学学 化化 工工 系系 应应 用用 化化 学学专专 业业硕士研究生硕士研究生华华东东理理工工大大学学化化学学与与
2、制制药药学学院院(现现 化化 学学 与与 分分 子子 工工 程程 学学 院院)工业催化工业催化专业专业博士研究生博士研究生3第3页,讲稿共92张,创作于星期日本人简介:工作经历本人简介:工作经历l1993.4-2005.10:l2005.11-l2009.1-2009.7:中国石化中国石化上海石油化工研究院上海石油化工研究院助理工程师助理工程师/工程师工程师/高级工程师高级工程师上海应用技术学院上海应用技术学院化学工程系化学工程系(现化学与环境工程学院现化学与环境工程学院)教授教授硕士研究生指导老师硕士研究生指导老师工业催化工业催化硕士点负责人硕士点负责人美国美国Clemson大学大学化学工程
3、系化学工程系高级访问学者高级访问学者4第4页,讲稿共92张,创作于星期日l办公室办公室 :第三学科楼第三学科楼C-312室室l联系电话联系电话 :6087 7221(O)137 6459 84275第5页,讲稿共92张,创作于星期日0绪论绪论催化剂的作用催化剂的作用课程主要内容课程主要内容主要参考书主要参考书催化期刊催化期刊6第6页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的作用催化剂的作用化学工业的化学工业的基石基石n85%以上的化工产品是借助催化剂生产以上的化工产品是借助催化剂生产的的n无机化工:无机化工:合成氨合成氨、硝酸硝酸、硫酸硫酸n有机化工:有机化工:甲醇甲醇、醋酸、丙酮、醋酸、丙酮n高分
4、子化工:三大合成材料高分子化工:三大合成材料(合成树脂合成树脂和塑料、和塑料、合成橡胶合成橡胶、合成纤维合成纤维)n石油炼制与化工:石油炼制与化工:汽油、柴油汽油、柴油7第7页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的作用催化剂的作用环境保护环境保护l挥发性有机组分挥发性有机组分(VOCs):催化燃烧:催化燃烧l工工业业排排放放NOx:催化还原:催化还原N2l机机动动车车尾尾气:气:三效催化剂三效催化剂(CO、NOx、CHx)l化工过程的绿色化:化工过程的绿色化:催化剂的应用催化剂的应用无毒催化剂代替有毒催化剂无毒催化剂代替有毒催化剂8第8页,讲稿共92张,创作于星期日能源开发、利用能源开发、利用l
5、石石油:提高原油利用率油:提高原油利用率l天然气:合成液体燃料天然气:合成液体燃料(合成油、甲醇、合成油、甲醇、二甲醚二甲醚)l煤煤:间接液化制液体燃料间接液化制液体燃料l生物质:生物质:燃料燃料催化剂的作用催化剂的作用9第9页,讲稿共92张,创作于星期日手性催化与制药工业手性催化与制药工业l多巴多巴(dopa):左旋:左旋治治疗疗帕金森的帕金森的药药物物右旋右旋毒物毒物lMansanto公公司司三三位位科科学学家家采采用用不不对对称称膦膦配配体体的的Ru络络合合物物催催化化剂剂,合合成成左左旋旋体体95的的产产物物,并实现产业化。并实现产业化。获获2001年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖催化剂的
6、作用催化剂的作用10第10页,讲稿共92张,创作于星期日课程主要内容课程主要内容l基本原理:催化剂与催化作用基本原理:催化剂与催化作用 表面吸附与孔内扩散表面吸附与孔内扩散l各类催化剂及其作用:各类催化剂及其作用:酸碱酸碱/金属金属/氧氧(硫硫)化物化物/络合催化剂络合催化剂l催化剂的制备催化剂的制备与使用与使用l环境保护催化环境保护催化l工业催化剂的活性评价与物性的表征工业催化剂的活性评价与物性的表征11第11页,讲稿共92张,创作于星期日主要参考书主要参考书l工业催化剂手册工业催化剂手册黄仲涛主编黄仲涛主编化学工业出版社化学工业出版社l工业催化工业催化黄仲涛主编黄仲涛主编化学工业出版社化学
7、工业出版社l工业应用催化剂工业应用催化剂金杏妹编著金杏妹编著华东理工大学出版社华东理工大学出版社催化剂工程导论催化剂工程导论王尚弟王尚弟孙俊全孙俊全化学工业出版社化学工业出版社催化剂工程催化剂工程储伟主编储伟主编四川大学出版社四川大学出版社u催化科学导论催化科学导论廖代伟编著廖代伟编著化学工业出版社化学工业出版社u催化作用基础催化作用基础甄开吉等编甄开吉等编科学出版社科学出版社12第12页,讲稿共92张,创作于星期日催化期刊催化期刊英英文文JournalofCatalysis(IF6)AdvancedSynthesis&Catalysis(IF6)AppliedCatalysisA:Gener
8、al;B:EnvironmentalJournalofMolecularCatalysisA:Chemical;B:EnzymaticCatalysisCommunicationCatalysisLettersCatalysisTodayTopicsinCatalysisReactionKinetics,MechanismsandCatalysisKinetics&Catalysis(ReactionKineticsandCatalysisLetters)StudiesinSurfaceScienceandCatalysisACSCatalysisCatalSciTechChemCatChem
9、13第13页,讲稿共92张,创作于星期日催化期刊催化期刊AngewChemIntEdit(IF13)JAmChemSoc(IF9)ChemCommun(IF6)ChemLettJPhysChemCChemMater(IF7)JMaterChem(IF5)GreenChem英英 文文FuelFuelProcessTechnEnergy&FuelsEnergyConvManagIndEngChemResChemEngJChemEngSciJNatGasChemMicroMesorMater14第14页,讲稿共92张,创作于星期日催化期刊催化期刊中中文文催化学报催化学报分子催化分子催化工业催化工业催
10、化化学学报化学学报 高等学校化学学报高等学校化学学报物理化学学报物理化学学报无机化学学无机化学学报报燃料化学学报燃料化学学报化工学报化工学报高校高校化学工程学报化学工程学报石油学报石油学报(石油加工石油加工)精细精细化工化工石油化工石油化工天然气化工天然气化工15第15页,讲稿共92张,创作于星期日1催化催化剂剂与催化作用基本知与催化作用基本知识识1.1催化剂的定义与特征催化剂的定义与特征1.2催化剂及催化反应的分类催化剂及催化反应的分类1.3固体催化剂的组成与结构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催化剂的反应性能及对工业催化化剂的要求剂的要求1.5多相催化反应体系的分析多
11、相催化反应体系的分析16第16页,讲稿共92张,创作于星期日1.1 催化剂的定义与特征催化剂的定义与特征催化剂的定义催化剂的定义能能改变改变化学反应的速度化学反应的速度不改变不改变化学反应的化学反应的热力学平衡位置热力学平衡位置本身在化学反应中不被本身在化学反应中不被明显明显地消耗地消耗催化作用催化作用:指催化剂对化学反应所产生的效应:指催化剂对化学反应所产生的效应17第17页,讲稿共92张,创作于星期日1.1 催化剂的定义与特征催化剂的定义与特征催化剂的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。只改变化学反应
12、的速度,而不改变化学平衡的位置。G=-RTInKp化学平衡常数化学平衡常数Kp的大小取决于反应温度的大小取决于反应温度T和和G,而,而G是状态函数,与过程无关。是状态函数,与过程无关。18第18页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的特征催化剂的特征l对于可逆反应,由于对于可逆反应,由于K平平k正正/k逆逆能加速正反应速度的催化剂也能同样程度地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加速逆反应的速度上述特征可用于催化剂的初步筛选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,可采用常压下的高压设
13、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。逆反应来初步筛选催化剂。19第19页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的特征催化剂的特征催化剂参与化学反应催化剂参与化学反应:通过:通过改变反应历改变反应历程程、降低活化能降低活化能而改变反应速度(而改变反应速度(催化催化作用机理作用机理)能加快化学反应的速度,也能减慢化学能加快化学反应的速度,也能减慢化学反应的速度反应的速度20第20页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的特征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催化剂对反应的类型、方向及产物的结构具有选择性择性一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用一种催化剂只对特定的
14、化学反应起催化作用如如SiO2-Al2O3催化剂对酸碱反应具有催化作用,但催化剂对酸碱反应具有催化作用,但对合成氨反应却无效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。一个需要的方向进行,生产所需的产品。实例实例21第21页,讲稿共92张,创作于星期日1.2 催化反应和催化剂的分类催化反应和催化剂的分类催化反应的分类催化反应的分类按反应系统物相的均一性按反应系统物相的均一性均相:均相:催化剂与反应物形成均一相催化剂与反应物形成均一相非均相非均相(多相多相):催化剂与反应物处于不同相催化剂与反应物处于不
15、同相酶酶:酶酶本本身身是是液液体体均均匀匀分分散散在在水水溶溶液液中中(均均相相),但但反反应应却却从从反反应应物物在在其其表表面面上上的的积积聚聚开开始始(多多相相),因因此此同同时具有均相和多相的性质。时具有均相和多相的性质。22第22页,讲稿共92张,创作于星期日催化反应的分类催化反应的分类按反应类型按反应类型加氢加氢脱氢脱氢氧化氧化聚合聚合裂解等裂解等优点:优点:便于比较同类型反应的特点便于比较同类型反应的特点Ni催化剂:烯烃催化剂:烯烃/苯苯加氢加氢V2O5催化剂:苯催化剂:苯/邻二甲苯邻二甲苯氧化氧化23第23页,讲稿共92张,创作于星期日催化反应的分类催化反应的分类按反应机理按反
16、应机理酸碱型反应酸碱型反应:催化剂与反应物通过:催化剂与反应物通过电子对电子对的的接受而配位,或发生强烈极化,形成离子型接受而配位,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。活性中间体物种进行的催化反应。氧化还原型反应氧化还原型反应:催化剂与反应物通过:催化剂与反应物通过单个单个电子电子转移,形成活性中间体物种进行的催化转移,形成活性中间体物种进行的催化反应。反应。24第24页,讲稿共92张,创作于星期日催化剂的分类催化剂的分类 按催化剂的元素及化合态分类按催化剂的元素及化合态分类金属、金属氧金属、金属氧(硫硫)化物、金属有机化合物化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形态
17、按催化剂的导电性及化学形态导体、半导体、绝缘体导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类按行业类别分类石油炼制工业、化肥工业、环境保护石油炼制工业、化肥工业、环境保护等等25第25页,讲稿共92张,创作于星期日1.3固体催化固体催化剂剂的的组组成与成与结结构构固体催化剂的组成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固体催化剂是工业催化过程中最普遍的一类催催化剂化剂按组分的多少分成单组分按组分的多少分成单组分(元元)和多组分和多组分(元元)催化剂催化剂单组分催化剂:氨氧化制硝酸的铂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:多组分催化剂:主催化剂主催化剂、助催化剂助催化剂和和
18、载体载体26第26页,讲稿共92张,创作于星期日固体催化剂的组成固体催化剂的组成 主催化剂(活性组分)主催化剂(活性组分)没有它就没有所需要的催化作用没有它就没有所需要的催化作用如:加氢催化剂如:加氢催化剂Ni/Al2O3中的中的Ni合成氨催化剂合成氨催化剂Fe-Al2O3-K2O中的中的Fe 共催化剂共催化剂和主催化剂同时起催化作用的组分和主催化剂同时起催化作用的组分27第27页,讲稿共92张,创作于星期日固体催化剂的组成固体催化剂的组成助催化剂助催化剂本本身身没没有有活活性性或或者者活活性性很很小小可可以以忽忽略略,但但却却能能显显著著改改善善催催化化剂剂的的性性能能(活活性性、选选择择性
19、和稳定性性和稳定性)。)。28第28页,讲稿共92张,创作于星期日助催化剂的分类及其作用助催化剂的分类及其作用结构型助催化剂结构型助催化剂电子电子(调变调变)型助催化剂型助催化剂扩散型助催化剂扩散型助催化剂(致孔剂致孔剂)毒化型助催化剂毒化型助催化剂29第29页,讲稿共92张,创作于星期日结构型助催化剂结构型助催化剂提提高高活活性性组组分分的的分分散散度度,从从而而提提高高其其催催化化活活性性。(如如合合成成甲甲醇醇Cu-ZnO-Al2O3催催化化剂剂中中的的Al2O3,提提高高了了Cu的比表面积,从而提高其反应活性。)的比表面积,从而提高其反应活性。)增加催化剂活性组分微晶的稳定性,延长催化
20、剂的寿命。增加催化剂活性组分微晶的稳定性,延长催化剂的寿命。(如如合合成成氨氨催催化化剂剂中中的的Al2O3,与与活活性性组组分分Fe形形成成了了固固溶溶体体,有有效效阻阻止止了了Fe的的烧烧结结,从从而而大大大大延延长长催催化化剂剂的寿命的寿命:几小时几小时几年几年。)。)第30页,讲稿共92张,创作于星期日电子电子(调变调变)型助催化剂型助催化剂改变催化剂活性组分的结构和化学特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。性,提高催化剂的性能。(如合成氨催化剂中的(如合成氨催化剂中的K2O,可使,可使Fe催催化剂的逸出功降低,从而提高其催化活性。化剂的逸出功降低,从而提高其催化活性
21、。)31第31页,讲稿共92张,创作于星期日扩散型助催化剂扩散型助催化剂改变催化剂的孔结构,改善催化剂改变催化剂的孔结构,改善催化剂的扩散性能。的扩散性能。如:矿物油、淀粉或有机高分子如:矿物油、淀粉或有机高分子(致孔剂)(致孔剂)32第32页,讲稿共92张,创作于星期日毒化型助催化剂毒化型助催化剂毒化有害的活性中心,消除其所造成的副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反应,从而提高目的产物的选择性和催化剂的稳定性。剂的稳定性。如酸催化剂中加入碱性物质,毒化引起积炭如酸催化剂中加入碱性物质,毒化引起积炭副反应的强酸中心,减少积炭的生成。副反应的强酸中心,减少
22、积炭的生成。33第33页,讲稿共92张,创作于星期日载体的作用载体的作用分散作用分散作用稳定化作用稳定化作用支撑作用支撑作用传热和稀释作用传热和稀释作用助催化作用助催化作用34第34页,讲稿共92张,创作于星期日常用的载体常用的载体u低比表面积载体低比表面积载体对对催催化化剂剂的的活活性性影影响响很很小小,但但热热稳稳定定性性高高,常常用用于于高高温温反反应应和和强强放放热热反反应应。如如乙乙烯烯氧氧化化制制环环氧氧乙乙烷银催化剂中的烷银催化剂中的-Al2O3。u高比表面积载体高比表面积载体因因具具有有酸酸性性或或碱碱性性,会会影影响响催催化化剂剂的的性性能能。如如SiO2、Al2O3、活性炭
23、、分子筛等。、活性炭、分子筛等。35第35页,讲稿共92张,创作于星期日常用的载体常用的载体载体载体比表面积比表面积(m2/g)刚玉刚玉01碳化硅碳化硅1硅藻土硅藻土230石棉石棉116耐火砖耐火砖1载体载体比表面积比表面积(m2/g)氧化铝氧化铝100200硅胶硅胶400800活性炭活性炭9001200白土白土150280SiO2-Al2O3350600低比表面积载体低比表面积载体高比表面积载体高比表面积载体36第36页,讲稿共92张,创作于星期日1.3.2催化剂的结构催化剂的结构分散度分散度化合态化合态物相物相均匀度均匀度37第37页,讲稿共92张,创作于星期日1.4催化催化剂剂的反的反应
24、应性能及要求性能及要求1.4.1催化催化剂剂的反的反应应性能性能1.4.2对对工工业业催化催化剂剂的要求的要求38第38页,讲稿共92张,创作于星期日1.4.1催化催化剂剂的反的反应应性能性能活性:活性:指催化剂对反应加速的程度指催化剂对反应加速的程度选择性:选择性:指所消耗的原料中转化成目指所消耗的原料中转化成目的产物的分率的产物的分率稳定性:稳定性:指催化剂在使用条件下具有指催化剂在使用条件下具有稳定活性稳定活性的时间的时间39第39页,讲稿共92张,创作于星期日(1)催化催化剂剂的活性的活性活性的表示方法:活性的表示方法:反应速率反应速率 反应速率常数反应速率常数转化率转化率40第40页
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