催化剂精选课件.ppt
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1、关于催化剂第一页,本课件共有103页第一节第一节 概述概述第二节第二节 固体催化剂与多相催化固体催化剂与多相催化第三节第三节 均相催化剂均相催化剂第四节第四节 相转移催化剂相转移催化剂第五节第五节 酶催化剂酶催化剂第三章第三章 催化剂催化剂200目录 第二页,本课件共有103页3.1 3.1 概述概述2103.1.1 催化剂催化剂催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度,却催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度,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地消耗的化学物质。不被明显地消耗的化学物质。催化剂是一种可以改变一个化学反应
2、速度物质。催化剂是一种可以改变一个化学反应速度物质。催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。催化作用是指催化剂对化学反应所产生的效应。第三页,本课件共有103页4 催化剂按是否加速或减慢化学反应速度分为催化剂按是否加速或减慢化学反应速度分为正催化剂和负催化剂。正催化剂和负催化剂。正催化剂:正催化剂:本章所论述催化剂,在催化过程中具有重要意义,本章所论述催化剂,在催化过程中具有重要意义,已得到广泛研究和应用。已得到广泛研究和应用。负催化剂:负催化剂:有其重要的特殊用途,如抑制金属氧化的缓蚀剂,减慢有其重要的特殊用途,如抑制金属氧化的缓蚀剂,减慢塑料和橡胶老化的防老化剂,汽油抗爆剂等。塑料和橡胶
3、老化的防老化剂,汽油抗爆剂等。第四页,本课件共有103页53.1.2 催化作用催化作用降低了反应活化能(降低了反应活化能(P52P52)第五页,本课件共有103页6催化剂能够极大改变化学反应速度催化剂能够极大改变化学反应速度 各类化学反应速度之间差异很大,快反应在微微秒各类化学反应速度之间差异很大,快反应在微微秒(10(101212s)s)内便完成。例如,内便完成。例如,HClHCl和和NaOHNaOH这类酸碱中和的反应,这类酸碱中和的反应,“一触即发一触即发”的快速反应。慢反应,则要经历的快速反应。慢反应,则要经历上万年或亿年的时间才能察觉到。上万年或亿年的时间才能察觉到。EX:EX:2H2
4、H2 2+O+O2 21atm,201atm,20106106亿年亿年1atm,201atm,20Pt,20Pt,202H2H2 2O O(转化率:转化率:0.15%0.15%)2H2H2 2O O (转化转化率:率:100%100%)第六页,本课件共有103页7(1 1)催化剂只能加速热力学上可以进行的反应,而不能)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。加速热力学上无法进行的反应。在恒温恒压且不涉及非体积功时,过程只能向吉布斯焓在恒温恒压且不涉及非体积功时,过程只能向吉布斯焓G G减小的方向进行,直至减小的方向进行,直至d dT,PT,PG G0 0,系统达
5、到平衡,系统达到平衡。d dT,PT,PG G0 0自发(不可逆)自发(不可逆)平衡(可逆)平衡(可逆)T,PT,P一定一定W W0 03.1.3 催化剂的特点催化剂的特点第七页,本课件共有103页8(2 2)催化剂只能加速反应趋于平衡,而不能改变平衡的位置。)催化剂只能加速反应趋于平衡,而不能改变平衡的位置。Gr Gr0 0RT lnKRT lnKf f 催化剂不改变平衡常数的催化剂不改变平衡常数的K Kf f的数值,故它必然以相同的比例加速的数值,故它必然以相同的比例加速正、逆反应的速率常数,这个推论具有重要的实际意义。即有:加氢正、逆反应的速率常数,这个推论具有重要的实际意义。即有:加氢
6、反应的催化剂同时也是脱氢反应的催化剂,水合反应的催化剂同时也反应的催化剂同时也是脱氢反应的催化剂,水合反应的催化剂同时也是脱水反应的催化剂。是脱水反应的催化剂。这条规则对这条规则对选择催化剂选择催化剂很有用。很有用。第八页,本课件共有103页9v第一,对某一催化反应进行正反应和进行逆反应的操作条件(温度、压力、进料组成)往往会有很大差别,这对催化剂可能会产生一些影响。v第二,对正反应或逆反应在进行中所引起的副反应也是值得注意的,因为这些副反应会引起催化剂性能变化。实际工业上催化正反应、逆反应时为什么往往选用不同的实际工业上催化正反应、逆反应时为什么往往选用不同的催化剂?催化剂?第九页,本课件共
7、有103页10(3 3)催化剂对反应类型、反应方向和产物结构具有选择性)催化剂对反应类型、反应方向和产物结构具有选择性 当反应可能有一个以上的不同方向时,可能导致热力学上可行的当反应可能有一个以上的不同方向时,可能导致热力学上可行的不同产物,不同产物,催化剂仅加速其中一种,促进反应的速率与选择性是同催化剂仅加速其中一种,促进反应的速率与选择性是同一的。一的。CO+H2Cu-ZnO-Al2O3 260 5.O66MPaCu-ZnO-Al2O3-K2O 350 5.O66MPaNi/硅藻土 250 30巴Fe.Co.Ni 120巴 200Ru(钌)150 150巴CH3OHCnH2n+1OH (n
8、2)CH4合成汽油 CnH2n+2固态石蜡(1巴1105)以合成气以合成气(CO+H2CO+H2)为例为例第十页,本课件共有103页11催化剂对加速化学反应具有选择性催化剂对加速化学反应具有选择性热反应时生成热反应时生成COCO2 2比生比生成甲醛的能垒小很多成甲醛的能垒小很多甲醇氧化反应的不同甲醇氧化反应的不同能垒变化示意图能垒变化示意图催化反应时,生成催化反应时,生成COCO和和COCO2 2的能垒明的能垒明显高于生成甲显高于生成甲醛的能垒醛的能垒CH3OH+O2=CO2+2H2OCH3OH+O2=HCHO+2H2O第十一页,本课件共有103页12(1 1)催化循环)催化循环水煤气变换反应
9、的催化循环水煤气变换反应的催化循环(4 4)催化剂组成和数量不变,可循环使用)催化剂组成和数量不变,可循环使用第十二页,本课件共有103页13(2 2)催化剂用量少且不消耗)催化剂用量少且不消耗 催化剂在反应过程完成后并不消耗催化剂在反应过程完成后并不消耗 少量催化剂可以催化大量反应物少量催化剂可以催化大量反应物特效催化剂:酶催化和有机金属催化催化剂浓度在特效催化剂:酶催化和有机金属催化催化剂浓度在1010-6-9-6-9数量级数量级(3 3)化学计量方程式与催化剂量无关,反应速度与催化剂量成正比)化学计量方程式与催化剂量无关,反应速度与催化剂量成正比(4 4)参加反应后催化剂会有变化但很微小
10、)参加反应后催化剂会有变化但很微小 催化剂组成、结构和孔结构的缓慢变化催化剂组成、结构和孔结构的缓慢变化 催化剂与反应物和产物的元素交换催化剂与反应物和产物的元素交换 活性组份的微小变化活性组份的微小变化 其他派生反应其他派生反应 催化剂缓慢失活的原因催化剂缓慢失活的原因第十三页,本课件共有103页143.1.4 3.1.4 催化剂的类型催化剂的类型酶催化反应同时酶催化反应同时具有均相和非均具有均相和非均相反应的性质。相反应的性质。非均相催化反应是非均相催化反应是指反应物和催化剂指反应物和催化剂居于不同相态的反居于不同相态的反应。应。均相催化反应是指均相催化反应是指反应物和催化剂居反应物和催化
11、剂居于同一相态中的反于同一相态中的反应。应。按催化反应系统物相的均一性进行分类按催化反应系统物相的均一性进行分类均相催化反应均相催化反应均相催化反应均相催化反应酶催化反应酶催化反应酶催化反应酶催化反应非均相(又称多非均相(又称多非均相(又称多非均相(又称多相)催化反应相)催化反应相)催化反应相)催化反应第十四页,本课件共有103页15上节要点回顾上节要点回顾1、催化剂、催化剂是一种能够改变一个化学反应的反应速度,是一种能够改变一个化学反应的反应速度,却不改变化学反应热力学平衡位置,本身在化学反应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地消耗的化学物质。中不被明显地消耗的化学物质
12、。2 2、催化反应原理:降低了反应活化能、催化反应原理:降低了反应活化能第十五页,本课件共有103页16催化剂的特点:催化剂的特点:1.催化剂催化剂催化剂只能加速热力学上可以进行的反应,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。而不能加速热力学上无法进行的反应。2.催化剂只能加速反应趋于平衡,而不能改变平衡的催化剂只能加速反应趋于平衡,而不能改变平衡的位置。位置。3.催化剂对反应类型、反应方向和产物结构具有选择催化剂对反应类型、反应方向和产物结构具有选择性性4.催化剂组成和数量不变,可循环使用催化剂组成和数量不变,可循环使用第十六页,本课件共有103页17 (1)
13、(1)(1)(1)活性活性活性活性ActivityActivityActivityActivity 定义:定义:催化剂的活性是评价催化剂的一种量度,是指催化剂的活性是评价催化剂的一种量度,是指催化剂加快反应速度的催化剂加快反应速度的性能,实际上是指催化反应速度与非催化反应速度之差性能,实际上是指催化反应速度与非催化反应速度之差。它是反映催化剂在一。它是反映催化剂在一定工艺条件下催化性能的最主要指标,直接关系到催化剂的选择、使用及制造。定工艺条件下催化性能的最主要指标,直接关系到催化剂的选择、使用及制造。表示方法:表示方法:TONTON、TOFTOF、时空率、空速、转化率、时空率、空速、转化率、
14、比活性。比活性。1.1.转化数(转化数(TONTON)-催化剂单位时间内每个活性中心生产目标产物的个数催化剂单位时间内每个活性中心生产目标产物的个数 如计量单位为如计量单位为molmol,称为,称为转化频率(转化频率(TOFTOF)3.1.5 3.1.5 催化剂的基本性能催化剂的基本性能第十七页,本课件共有103页182)2)时空率时空率时空率是指在一定条件时空率是指在一定条件(温度、压力、进料组成和空速均一定温度、压力、进料组成和空速均一定)下单位时间内单位下单位时间内单位量的量的Cat.Cat.所得到的目的产物量。所得到的目的产物量。Y YT T,S S=目的产物量目的产物量/催化剂量催化
15、剂量时间时间 单位:单位:t/mt/m3 3d d,kg/Lkg/Lh h,kmol/kgkmol/kgh h等。等。在化工生产中,为方便、直观表示在化工生产中,为方便、直观表示Cat.Cat.活性大小,常用时空产率表示活性大小,常用时空产率表示3)3)空速(空速(SVSV)空速是指单位时间内单位量的催化剂所能处理的原料量的能力。空速是指单位时间内单位量的催化剂所能处理的原料量的能力。SV=SV=进料量进料量/催化剂量催化剂量时间时间 SVSV单位单位:时间的倒数。:时间的倒数。SVSV越高,越高,Cat.Cat.活性越好。显然,活性越好。显然,SVSV表示了表示了Cat.Cat.的处理的处理
16、能力。能力。4)4)转化率转化率 转化率是指在给定反应条件下,某一反应物已转化转化率是指在给定反应条件下,某一反应物已转化(反应反应)的量占其进料的量占其进料量的百分数。量的百分数。x=x=(已转化的某一反应物的量(已转化的某一反应物的量/某一反应物的进料量)某一反应物的进料量)100%100%转化率来表示转化率来表示Cat.Cat.活性并不确切,因为反应的转化率并不和反应速度成正比,活性并不确切,因为反应的转化率并不和反应速度成正比,但其比较直观,为工业生产所常用。但其比较直观,为工业生产所常用。第十八页,本课件共有103页19 5)5)比活性(比活性()前述表示前述表示Cat.Cat.活性
17、的方法都很直观,但不确切。在科研中常用单位活性的方法都很直观,但不确切。在科研中常用单位Cat.Cat.表面表面或活性表面上进行的反应的速率常数来表示活性大小或活性表面上进行的反应的速率常数来表示活性大小,称它为比活性。称它为比活性。=k/s =k/s 式中式中比活性;比活性;k k催化反应速度常数;催化反应速度常数;s s表面积或活性表面积。表面积或活性表面积。显然显然,只取决于只取决于Cat.Cat.化学组成和结构,与化学组成和结构,与Cat.Cat.表面大小无关。表面大小无关。对评选对评选Cat.Cat.具有重要意义。具有重要意义。第十九页,本课件共有103页20(2 2 2 2)选择性
18、()选择性()选择性()选择性(s s s s)含义含义:催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力。催化剂的选择性是指催化剂促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力。它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性。它是催化剂的又一个重要指标。催化剂具有特殊的选择性。选择性可由下式计算选择性可由下式计算:在工业上,在工业上,Cat.Cat.有优良选择性,能降低原料消耗,减少反应后处理工序,节约有优良选择性,能降低原料消耗,减少反应后处理工序,节约生产费用。但生产费用。但Cat.Cat.的活性和选择性有时难以两全其美,此时应根据生产过程进的活性和选择性有时难
19、以两全其美,此时应根据生产过程进行综合考虑。行综合考虑。若反应原料昂贵或产物与副产物分离困难,宜先用高选择性若反应原料昂贵或产物与副产物分离困难,宜先用高选择性Cat.Cat.;反反之,宜选用高活性之,宜选用高活性Cat.Cat.。第二十页,本课件共有103页21(3)催化剂的稳定性)催化剂的稳定性催化剂在使用过程中保持一定活性水平的时间,为催化剂的稳定性催化剂在使用过程中保持一定活性水平的时间,为催化剂的稳定性水热稳定性耐热稳定性机械稳定性抗积碳稳定性抗毒性催化剂催化剂的的稳定性稳定性化学稳定性第二十一页,本课件共有103页22 寿命寿命寿命寿命 1)1)含义含义 单程寿命单程寿命:Cat.
20、Cat.的寿命的寿命(稳定性稳定性)系指其在反应条件下,在活性和选择性不变时能连续使用的系指其在反应条件下,在活性和选择性不变时能连续使用的时间;时间;总寿命总寿命:指活性下降后经再生处理而使活性又恢复的累计使用时间。指活性下降后经再生处理而使活性又恢复的累计使用时间。表示方法表示方法:时间,距离(汽车尾气处理催化剂),消耗时间,距离(汽车尾气处理催化剂),消耗Cat.Cat.重量重量/生产单位重量产品。生产单位重量产品。起始活性很高,很起始活性很高,很快下降达到老化稳快下降达到老化稳定定起始活性很低,经一起始活性很低,经一段诱导达到老化稳定段诱导达到老化稳定第二十二页,本课件共有103页23
21、2023/2/2821催化剂的催化剂的 热稳定性热稳定性v指催化剂在高温苛刻的反应条件下能否长期具有一定水平的活性和选择性。因因素素之之一一载体结构改变孔容减小孔径变大比表面积下降高温高温第二十三页,本课件共有103页242023/2/2822因因素素之之二二活性组分烧结活性表面积减小晶粒变大T 1/3 Tf时,表面粒子可移动T 2/3 Tf时,表面粒子移动显著加快金属催化剂和氧化物催化剂常常遇见第二十四页,本课件共有103页252023/2/2823催化剂的水热稳定性催化剂的水热稳定性v在高温和水蒸气的作用下,催化剂的催化性能稳定于某一活性和选择性下的能力。-Al2O3载体比表面积变化不大N
22、2气氛H2O气氛比表面积下降15700,8h第二十五页,本课件共有103页262023/2/2824催化剂的化学稳定性催化剂的化学稳定性v指在反应温度、反应物、产物和杂质的作用下,催化剂活性组指在反应温度、反应物、产物和杂质的作用下,催化剂活性组份和状态稳定存在的能力。份和状态稳定存在的能力。化学稳定性活性组份的流失化学态的改变高温高温 反应物反应物 产物产物杂质杂质第二十六页,本课件共有103页272023/2/2825催化剂的机械稳定性催化剂的机械稳定性v在工业使用过程中,催化剂外形和大小的稳定能力。这就要求催化剂有良好的机械强度,能耐磨、耐压、耐冲击。在固定床中,出现过热现象,或反应温度
23、降低。在流化床中,催化剂量减少,产品收率下降,造成环境污染。第二十七页,本课件共有103页282023/2/2826催化剂的抗毒性催化剂的抗毒性v催化剂对少量有害杂质毒化的抵御能力。催化剂中毒催化剂中毒暂时性中毒永久性中毒化学处理无反应物且引入其它气氛杂质与活性组份发生化学反应,或沉积作用杂质在活性中心上吸附较弱第二十八页,本课件共有103页2927催化剂的抗积炭稳定性催化剂的抗积炭稳定性v在反应过程中,催化剂抵御碳或高聚物沉积的能力。积炭堵塞孔结构覆盖活性组份覆盖催化剂表面第二十九页,本课件共有103页303.2 3.2 固体催化剂与多相催化固体催化剂与多相催化3.2.1 固体催化剂及其组成
24、固体催化剂及其组成固体催化剂特点:固体催化剂特点:固体催化剂特点:固体催化剂特点:组分多,组成复杂组分多,组成复杂组分多,组成复杂组分多,组成复杂 影响活性因素较多影响活性因素较多影响活性因素较多影响活性因素较多 机理研究难度较大机理研究难度较大机理研究难度较大机理研究难度较大 热稳定性好热稳定性好热稳定性好热稳定性好 回收、分离容易回收、分离容易回收、分离容易回收、分离容易目前已经工业化催化剂基本为固体催化剂目前已经工业化催化剂基本为固体催化剂第三十页,本课件共有103页313.2 3.2 固体催化剂与多相催化固体催化剂与多相催化3.2.1 固体催化剂及其组成固体催化剂及其组成 固固固固体体
25、体体催催催催化化化化剂剂剂剂主主主主要要要要有有有有以以以以下下下下几几几几种种种种组组组组分分分分:主主主主催催催催化化化化剂剂剂剂(活活活活性性性性组组组组分分分分)、助催化剂、载体。助催化剂、载体。助催化剂、载体。助催化剂、载体。催化剂催化剂主催化剂主催化剂主催化剂主催化剂助催化剂助催化剂助催化剂助催化剂载体载体第三十一页,本课件共有103页32(1 1 1 1)、主主主主催催催催化化化化剂剂剂剂:主主主主催催催催化化化化剂剂剂剂是是是是催催催催化化化化剂剂剂剂的的的的活活活活性性性性成成成成分分分分,可可可可以以以以是是是是一种物质,也可能是多种物质组成。一种物质,也可能是多种物质组成
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