《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念.ppt_第1頁
《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念.ppt_第2頁
《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念.ppt_第3頁
《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念.ppt_第4頁
《工業(yè)催化原理》第一章工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念.ppt_第5頁
已閱讀5頁,還剩19頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、第一章 工業(yè)催化基礎(chǔ)和基本概念,主要內(nèi)容: 催化劑及催化作用基礎(chǔ); 催化劑的組成和催化反應(yīng)類型; 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域; 工業(yè)催化的常用術(shù)語。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 1,第一節(jié) 催化劑及催化作用基礎(chǔ),催化劑和催化作用: 何謂催化劑?先看一個(gè)例子:通常情況下,將N2分子和H2分子混合在一個(gè)惰性的容器中。即使在500下,也幾乎檢測(cè)不到NH3的生成。雖然N2分子和H2分子化合生成NH3是一個(gè)熱力學(xué)允許的可逆放熱反應(yīng): N2+3H2 NH3 H500109 kJ/mol 但如果在N2分子和H2分子混合氣體的體系中加入少量的Fe就會(huì)有NH3生成,其中Fe就稱為催化劑,對(duì)NH3的生成起著關(guān)鍵的作

2、用。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2,Fe的催化作用本質(zhì): (1)沒有催化劑,N2分子和H2分子化合生成NH3是一個(gè)均相的化學(xué)反應(yīng)過程,要經(jīng)過N2分子的NN鍵和H2分子的HH鍵斷裂和NH鍵的形成,N2分子和H2分子都非常穩(wěn)定,經(jīng)均相化學(xué)反應(yīng)合成NH3需要很大的能量,即反應(yīng)的活化能很高(在500,常壓條件下活化能為334.6kJ/mol),在這種情況下,反應(yīng)極慢,以至于生成NH3的量甚微,常規(guī)方法都難以測(cè)出。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3,第一節(jié) 催化劑及催化作用基礎(chǔ),(2)采用Fe作為催化劑時(shí),N2分子和H2分子化合生成NH3的活化能大大降低了(反應(yīng) 途徑發(fā)生了變化)。N2分子和H2

3、分子首先在Fe催化劑表面發(fā)生化學(xué)吸附,使得N2分子和H2分子的化學(xué)鍵削弱,然后化學(xué)吸附的氮(Nad)和化學(xué)吸附的氫(Had)在催化劑表面相互作用,并經(jīng)過一系列的表面化學(xué)反應(yīng),最后生成的NH3分子從催化劑表面脫附生成產(chǎn)物NH3,反應(yīng)途徑、反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量關(guān)系如下:,合成NH3反應(yīng)途徑:,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4,第一節(jié) 催化劑及催化作用基礎(chǔ),反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)過程的能量如下:,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5,Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lecture) by Gerhard Ertl Angew.

4、 Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 3535,第一節(jié) 催化劑及催化作用基礎(chǔ),催化劑定義 1981年,國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)對(duì)催化劑有一個(gè)明確的定義。即:催化劑是一種物質(zhì),它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率,而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化;此過程稱為催化作用,涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 6,第一節(jié) 催化劑及催化作用基礎(chǔ),催化劑的基本特征 1、催化劑只能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)可行的反應(yīng),不能實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)不可能的反應(yīng); 2、催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)的速度,不能改變化學(xué)平衡的位置; 3、催化劑能降低反應(yīng)的活化能,改變反應(yīng)的歷程; 4、催化劑對(duì)

5、反應(yīng)具有選擇性。,第二節(jié) 催化劑組成和催化反應(yīng)類型,催化劑組成 1、主催化劑:催化劑的主要活性組分,起催化作用的根本性物質(zhì),如合成氨催化劑的鐵,催化劑中若沒有活性組分存在,那么就不可能有催化作用。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 7,2、助催化劑:催化劑中具有提高活性組分的催化活性和選擇性的組分,以及改善催化劑的耐熱性、抗毒性,提高催化劑機(jī)械強(qiáng)度和壽命的組分。 (1) 電子助劑:其主要作用是改變主催化劑的電子狀態(tài),從而使反應(yīng)分子的化學(xué)吸附能力和反應(yīng)的總活化能都發(fā)生改變,提高催化性能。 (2) 結(jié)構(gòu)助劑:其主要作用是穩(wěn)定催化劑結(jié)構(gòu),使催化活性物質(zhì)粒度變小、比表面積增大,防止催化劑燒結(jié)而降低活性等

6、。,第二節(jié) 催化劑組成和催化反應(yīng)類型,3、催化劑載體:主要是負(fù)載催化活性組分的作用,還具有提高催化劑比表面積、提供適宜的孔結(jié)構(gòu)、改善活性組分的分散性、提高催化劑機(jī)械強(qiáng)度、提高催化劑穩(wěn)定性等多種作用。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 8,部分載體的比表面和比孔容,催化反應(yīng)分類 (1)按物相分: 多相催化:指催化劑與反應(yīng)物處于不同物相發(fā)生的催化反應(yīng),化學(xué)工業(yè)上以多相催化居多。 均相催化:指催化劑與反應(yīng)物處于相同物相發(fā)生的催化反應(yīng),以溶液中金屬有機(jī)化合物為催化劑的催化反應(yīng)居多。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 9,第二節(jié) 催化劑組成和催化反應(yīng)類型,(2)按反應(yīng)機(jī)理分: 酸堿催化反應(yīng):是催化劑與反應(yīng)物

7、分子之間通過電子對(duì)的授受而配位,或者發(fā)生強(qiáng)烈極化,形成離子型活性中間物種進(jìn)行的催化反應(yīng)。 氧化還原催化反應(yīng):是催化劑與反應(yīng)物分子間通過電子轉(zhuǎn)移,形成活性中間物種進(jìn)行催化反應(yīng)。,催化劑: 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基石 90以上的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)出的,沒有催化劑,就不可能建立現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)。 如: 無機(jī)化學(xué)工業(yè)中的合成氨、硝酸、硫酸等的生產(chǎn) 石油加工中的催化裂化、催化重整等過程 石油化工中醇、醛、酸、酯的生產(chǎn) 三大合成高分子材料的生產(chǎn) 煤化工與天然氣化工過程 生物化工中的酶催化過程 環(huán)保催化過程等,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 10,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,二十世紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明,化工

8、資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 11,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 12,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,二十世紀(jì)工業(yè)催化的一些重大發(fā)明,石油煉制:指對(duì)不同沸程的石油餾分經(jīng)催化轉(zhuǎn)化成各種燃料油,潤(rùn)滑基礎(chǔ)油,化工原料的過程。這是催化劑最重要的應(yīng)用領(lǐng)域,使用的催化劑包括各種固體酸,分子篩,負(fù)載型金屬催化劑等;催化反應(yīng)過程有催化裂化,催化重整,催化加氫等;反應(yīng)工藝有固定床、流化床、提升管催化裂化、鉑重整、連續(xù)移動(dòng)床低壓鉑重整、常壓渣油催化裂化等。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 13,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,石油化工:指一切以石油烴為原料生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品的催化過程,包

9、括一些基本有機(jī)化工原料合成的催化過程,所用的催化劑種類很多。一些重要的催化過程有:催化加氫與脫氫;催化水合與脫水;烴類的異構(gòu)和芳構(gòu);芳烴烷基化,歧化及烷基轉(zhuǎn)移;烯烴二聚及齊聚等。,細(xì)精化工:指對(duì)基本化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的初級(jí)或次級(jí)化學(xué)品進(jìn)行深加工,特別具有特定功能,特定用途且附加值高的化工產(chǎn)品的化工過程。涉汲到氧化反應(yīng),還原反應(yīng),碳鏈增減反應(yīng),重排反應(yīng),雜環(huán)合成反應(yīng),不對(duì)稱合成工藝等。廣泛使用酸堿催化劑,超強(qiáng)酸堿催化劑,分子篩擇形催化劑,金屬化合物和配合物催化劑,手性催化劑,相轉(zhuǎn)移催化劑等。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 14,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,合成材料:通常指合成樹脂,合成纖維,合成橡

10、膠這三大合成材料 合成樹脂-聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚酯等; 合成纖維-滌綸(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)纖維、腈綸(聚丙烯腈)纖維、維倫(聚乙烯醇)纖維等; 合成橡膠-丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠,碳一化學(xué):碳一(C1)化學(xué)主要研究含一個(gè)碳原子的化合物,如甲烷,甲醇,CO,CO2,HCN等參與的化學(xué)反應(yīng)。目前已可按C1化學(xué)的路線,從煤和天然氣出發(fā),生產(chǎn)出新型的合成燃料,以及乙烯,丙烯,芳烴等重要的起始化工原料。而這些新工藝的開發(fā),首先要解決催化劑這一關(guān)鍵問題,特別是煤經(jīng)合成氣(CO+H2)制甲醇,由F-T合成制汽油、柴油等。甲醇催化轉(zhuǎn)化制乙烯、丙烯等可大大緩解對(duì)石油的消耗,對(duì)可持續(xù)發(fā)展

11、有重要的意義。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 15,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,基礎(chǔ)無機(jī)化工:基礎(chǔ)無機(jī)化工產(chǎn)品如硫酸,硝酸,合成氨等種類雖然不多,但產(chǎn)品相當(dāng)大。其中硫酸是世界產(chǎn)量最大的合成化學(xué)品之一。目前硫酸的生產(chǎn)是用催化劑氧化SO2制得;硝酸是在鉑銠催化劑作用下,氨催化氧化制得;合成氨工業(yè)使用的催化劑達(dá)8種以上,包括加氫脫硫鈷鉬基、鋅基催化劑;一段轉(zhuǎn)化、二段轉(zhuǎn)化鎳基催化劑;中溫變換鐵基催化劑;低溫變換銅基催化劑;甲烷化鎳基催化劑;氨合成鐵基催化劑等。,生物催化:指在生物催化劑(俗稱酶)作用下的反應(yīng)過程。主要包括:醫(yī)藥和農(nóng)藥工業(yè)中-抗生素、維生素、激素等多種醫(yī)藥、農(nóng)藥等;食品工業(yè)中-氨基酸

12、、有機(jī)酸、甜味劑、調(diào)味品、醇類飲料、發(fā)酵食品等;化學(xué)工業(yè)中-用生物催化劑生產(chǎn)甲醇、乙醇、丁二醇、異丙醇、丙二醇、木糖醇、檸檬酸、葡萄糖酸、已二酸、丙酮、甘油等化工原料以及生產(chǎn)多糖、葡萄糖、可生物降解高聚物聚羥基丁酸等;在能源工業(yè)中-采用生物催化劑可以從纖維素,淀粉,有機(jī)廢棄物等可再生資源大量生產(chǎn)甲烷,甲酸,乙酸等,這對(duì)于減少化石資源的消耗和凈氣體CO2的排放,充分利用生物質(zhì)等可再生資源有重要的意義和應(yīng)用前景。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 16,第三節(jié) 催化劑的重要應(yīng)用領(lǐng)域,環(huán)境催化:指利用催化劑控制環(huán)境不能接收的化合物排放的化學(xué)過程,同時(shí)也包括那些應(yīng)用催化劑生產(chǎn)少污染的產(chǎn)物,以及能減少?gòu)U物

13、和無副產(chǎn)污染物的綠色化學(xué)新過程。也就是說,應(yīng)用催化劑可以將排放出的污染物轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì),或者回收加以重新利用。可以在生產(chǎn)過程中盡可能地減少污染物的排放量,以及無污染排放,并且用新的催化工藝制備化學(xué)品,取代對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì),從根本上解決環(huán)境污染問題。這些方面催化劑起著關(guān)鍵的作用,如SO2和NOx的催化消除;機(jī)動(dòng)車尾氣的催化凈化;工業(yè)有機(jī)廢氣的催化治理;室內(nèi)空氣污染物的催化凈化;水中有機(jī)污染物的催化治理;固體廢氣物的資源化和綜合利用;CO2的回收、固定和再利用等。,1、活性(Activity) 廣義的講,催化劑活性是指催化劑轉(zhuǎn)化反應(yīng)物的能力,但在不同情況下,其表達(dá)方式是不一致的。通常情況下,人們常

14、以給定條件下反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率來表示。如反應(yīng): 若A的初始量為NA0(mol),反應(yīng)后剩余的量為NA(mol),則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率(XA)為 假設(shè)反應(yīng)溫度,反應(yīng)壓力,原料物質(zhì)濃度,接觸時(shí)間等都相同的話,轉(zhuǎn)化率越高,表明催化劑的活性也越高。因此,這種表達(dá)方式比較直觀,但它不能反映出反應(yīng)速率,因此再催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中,常用次活性來表達(dá)催化劑活性。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 17,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,比活性 對(duì)于固體催化劑,在消除溫度梯度和濃度梯度的條件下,單位表面催化劑上的活性稱為本征比活性(a),可表示為: 式中為本征速率常數(shù),S為催化劑的表面積。 沒有消除溫度梯度和濃度梯度的比活

15、性稱為表觀活性(a),可表示為: 式中 為表觀速率常數(shù), 為效率因子。 用速率常數(shù)表達(dá)催化劑的活性時(shí)物理意義比較明確,并且催化劑的比活性只取決于它的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu),與其表面大小無關(guān),因此也常常用來篩選催化劑。但速率常數(shù)一般與速率方程有關(guān),并且同一個(gè)催化反應(yīng)可能存在幾個(gè)不同形式的速率表達(dá)式,使用時(shí)應(yīng)加以注意。,比活性 對(duì)于固體催化劑,在消除溫度梯度和濃度梯度的條件下,單位表面催化劑上的活性稱為本征比活性(a),可表示為: 式中為本征速率常數(shù),S為催化劑的表面積。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 18,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,2、選擇性(Selectivity) 指給定反應(yīng)物中某一產(chǎn)物的生成量

16、與已轉(zhuǎn)化的原料量的比。如上述反應(yīng)中產(chǎn)物B的選擇性(SB)可以表達(dá)為: 式中NB(mol)為目標(biāo)產(chǎn)物B的生成量。 在計(jì)算選擇性應(yīng)注意,當(dāng)原料和/或產(chǎn)物含量有幾組分時(shí),必須要說明選擇性的基準(zhǔn)。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 19,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,3、收率(Yield) 指給定反應(yīng)產(chǎn)物的生成量和原料中某一組分加入量之比。如上述反應(yīng)中產(chǎn)物B的收率(Y)可表示為: 此式表明收率是轉(zhuǎn)化率和選擇性的成績(jī)。一個(gè)催化劑只有同時(shí)具有高轉(zhuǎn)化率和高選擇性,才具有高的活性。 另外,工業(yè)催化劑常以給定條件下(溫度、壓力、進(jìn)料組成、進(jìn)料空速均一定)單位時(shí)間內(nèi),單位體積或單位質(zhì)量催化劑所得產(chǎn)物的量,即時(shí)空收率來

17、表示。因?yàn)闀r(shí)空收率乘上反應(yīng)器填裝的催化劑體積或質(zhì)量,就能直接給出單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)物的量,或直接給出完成一定的生產(chǎn)任務(wù)所需催化劑的體積或質(zhì)量,所以時(shí)空收率在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中使用起來很方便。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 20,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,4、空速 指單位時(shí)間內(nèi)通過單位體積(或質(zhì)量)催化劑的物料的體積(或質(zhì)量)數(shù)。當(dāng)通過催化劑的物料是氣體時(shí),常用GHSV(氣體空速)表示,單位為h-1cm3/(cm3. h) 。當(dāng)通過催化劑的物料是液體時(shí),常用WHSV(液時(shí)空速) h-1表示 ml/(ml. h)。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 21,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,5接觸時(shí)間 指單位

18、量的反應(yīng)物料(體積或質(zhì)量),在反應(yīng)中通過單位量催化劑(體積或質(zhì)量)所用的時(shí)間。通常接觸時(shí)間有兩種計(jì)算方法: 空速的倒數(shù) 催化劑床層高度除以反應(yīng)物料的線速度,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 22,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,6活性位 指催化劑中真正起催化作用的那些部位,通常也稱為活性中心。催化劑的活性位在不同的催化劑中是不一樣的,它可以是一個(gè)質(zhì)子、固體表面的不飽和的原子、表面原子簇(cluster)、配位絡(luò)合物、蛋白質(zhì)上的膠束囊(supermolecular pocket)等。在催化反應(yīng)中,反應(yīng)物或中間物能吸附在它上面。,7、轉(zhuǎn)換頻率(Turnover Frequency, TOF) 指在給定溫

19、度、壓力、反應(yīng)物比率、以及一定的反應(yīng)程度下,單位時(shí)間內(nèi),單位活性位上發(fā)生反應(yīng)的次數(shù)??梢姡琓OF能準(zhǔn)確的反應(yīng)催化劑的活性。但由于催化劑活性位數(shù)目的測(cè)定比較困難,這就使得難以準(zhǔn)確的獲得TOF。例如,對(duì)于負(fù)載金屬催化劑,通常能夠做到的是測(cè)量出暴露在表面上的金屬原子數(shù),然而一個(gè)活性位聚集的表面原子數(shù)究竟是幾個(gè)?表面上又有多少個(gè)這個(gè)的活性位呢?這些都是較難確定的問題,因此 TOF多用于基礎(chǔ)研究方面 。,化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 23,第四節(jié) 工業(yè)催化的常用術(shù)語,(1) 熱穩(wěn)定性:熱穩(wěn)定性是看催化劑能夠忍受多高的溫度和維持多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間而活性不變,耐熱溫度越高,反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),則催化劑的壽命越長(zhǎng)。一種良好的催化劑,應(yīng)能在高溫苛刻的反應(yīng)條件下長(zhǎng)期具有一定水平的活性。,8、穩(wěn)定性 指催化劑的活性和選擇性隨反應(yīng)時(shí)間的變化,催化劑的性能穩(wěn)定性情況,通常以壽命表示。催化劑在反應(yīng)條件下操作,穩(wěn)定一定活性和選擇性水平的時(shí)間稱為單程壽命

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論