催化作用和催化劑

1、關(guān)于催化作用與催化劑第1頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化作用的定義1催化作用的特征2催化劑的組成3催化劑分類(lèi)4本章主要內(nèi)容催化劑的反應(yīng)性性能及對(duì)工業(yè)催化劑的要求5第2頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四Catalysis: 18351836年，瑞典學(xué)者J.J.Berzelius提出，“cata”意思是“down”,而“l(fā)ysis”為動(dòng)詞，意思是分裂或者破壞，當(dāng)時(shí)認(rèn)為:“一種催化劑是破壞阻礙化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的正常力。 1901年德國(guó)物理化學(xué)家W.Ostwald提出催化劑定義:“催化劑是可以改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但最后不出現(xiàn)在生成物中的物質(zhì)”1903年法國(guó)

2、科學(xué)家P.Sabatier提出:“催化劑能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)或加速化學(xué)反應(yīng)，但本身不發(fā)生變化。1981年IUPAC提出的定義:“催化劑是一種物質(zhì)，它能夠加速反應(yīng)的速率而不改變?cè)摲磻?yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由焓變化。這種作用稱為催化作用，涉及催化劑的反應(yīng)稱為催化反應(yīng)?！?催化作用的定義1第3頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四 一、 化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì) 化學(xué)反應(yīng)是反應(yīng)物分子發(fā)生電子云的重新排布，實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵的斷裂和形成，而轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物。在舊鍵斷裂和新鍵形成的過(guò)程中，一般需要一定的活化能(Ea) 。第4頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四活化能(Ea) Arrhenius經(jīng)

3、驗(yàn)方程： 當(dāng)活化能較大，反應(yīng)溫度又較低時(shí)，僅有少數(shù)反應(yīng)物分子具有足夠能量而成為活化分子參與反應(yīng)，其反應(yīng)速率往往是很慢的。 第5頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四活化能(Ea) 過(guò)渡狀態(tài)理論 ： 每個(gè)反應(yīng)體系的正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)總是沿著一條相同的反應(yīng)途徑以相反方向進(jìn)行，中間經(jīng)過(guò)相同的過(guò)渡狀態(tài)。 第6頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四 在利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，往往需要解決提高反應(yīng)速率問(wèn)題。提高反應(yīng)速率可以通過(guò): 提高反應(yīng)溫度（T）和 降低反應(yīng)活化能（Ea）兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第7頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四提高反應(yīng)速率通常

4、不能單靠提高反應(yīng)溫度來(lái)解決對(duì)于正向反應(yīng)為放熱的反應(yīng)，逆向反應(yīng)的活化能大于正向反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)溫度更有利于逆向反應(yīng)速率的提高，可能使正向反應(yīng)達(dá)到的程度受到不利的化學(xué)平衡位置所限制；第8頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四對(duì)于具有幾個(gè)可能反應(yīng)方向的反應(yīng)體系，提高反應(yīng)溫度可同時(shí)加快主反應(yīng)和副反應(yīng)的速率，有的副反應(yīng)速率可能加快得更顯著，從而造成產(chǎn)物收率的降低和分離提純的困難。第9頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四降低反應(yīng)的活化能不僅可以提高反應(yīng)速率；而且可以控制反應(yīng)進(jìn)行的方向。 對(duì)于具有幾個(gè)反應(yīng)方向的反應(yīng)體系來(lái)說(shuō)，如果較大幅度降低主反應(yīng)的活化能，可使反應(yīng)

5、主要向主反應(yīng)方向發(fā)生，即可以控制反應(yīng)進(jìn)行的方向。第10頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四 使用催化劑是通過(guò)降低反應(yīng)活化能來(lái)提高反應(yīng)速率和控制反應(yīng)方向的最有效辦法。第11頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四對(duì)于N2+3H2=2NH3反應(yīng)，無(wú)催化劑存在時(shí)，在500oC、常壓條件下，反應(yīng)活化能高，334 kJ/mol 。此條件下反應(yīng)速度極慢，競(jìng)不能覺(jué)察出氨的生成。第12頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四有催化劑存在下，在催化劑表面發(fā)生了如下所示的一系列表面作用過(guò)程，最后生成了氨分子。催化反應(yīng)的速率控制步驟是氮解離步驟，該步的活化能70

6、kJ/mol 。催化劑為反應(yīng)物分子提供了一條較易進(jìn)行的反應(yīng)途徑。不同的催化劑的催化反應(yīng)活化能可能不同。第13頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四N2+3H2=2NH3的催化反應(yīng)途徑第14頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化作用的特征（1）催化劑只能加速熱力學(xué)上可以進(jìn)行的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上無(wú)法進(jìn)行的反應(yīng)。在開(kāi)發(fā)一種新的化學(xué)反應(yīng)的催化劑時(shí)，首先要對(duì)該反應(yīng)體系進(jìn)行熱力學(xué)分析，看在給定的條件下是否屬于熱力學(xué)上可行的反應(yīng)。第15頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化作用的特征（2）催化劑只能加速反應(yīng)趨于平衡，不能改變平衡的位置（平衡

7、常數(shù)）?；瘜W(xué)平衡是由熱力學(xué)決定的 G0RT1nKP ， 其中KP為反應(yīng)的平衡常數(shù)，G0是產(chǎn)物與反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)自由焓之差，是狀態(tài)函數(shù)，只決定于過(guò)程的始終態(tài)，而與過(guò)程無(wú)關(guān)，催化劑的存在不影響G0值，它只能加速達(dá)到平衡所需的時(shí)間，而不能移動(dòng)平衡點(diǎn)。第16頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四不能改變平衡的位置的例子乙苯脫氫制苯乙烯第17頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑不能改變平衡位置-實(shí)例 乙苯脫氫制苯乙烯，在600常壓、乙苯與水蒸汽摩爾比為1：9時(shí)，按平衡常數(shù)計(jì)算，達(dá)到平衡后苯乙烯的最大產(chǎn)率為72.3，這是平衡產(chǎn)率，是熱力學(xué)所預(yù)示的反應(yīng)限度。為了盡可能

8、實(shí)現(xiàn)此產(chǎn)率，可選擇良好催化劑以使反應(yīng)加速。但在反應(yīng)條件下，要想用催化劑使苯乙烯產(chǎn)率超過(guò)72.8是不可能的。第18頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四不能改變平衡的位置的另一例子烷烴異構(gòu)化第19頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四不同異構(gòu)體的辛烷值不相同第20頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四辛烷值的定義辛烷值：汽油在汽油機(jī)中燃燒時(shí)的抗震性指標(biāo) 。汽油辛烷值大，抗震性好，質(zhì)量也好。常以標(biāo)準(zhǔn)異辛烷值規(guī)定為100，正庚烷的辛烷值規(guī)定為0，這兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料以不同的體積比混合起來(lái)，可得到各種不同的抗震性等級(jí)的混合液，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作相同條件下，與待

9、測(cè)燃料進(jìn)行對(duì)比?？拐鹦耘c樣品相等的混合液中所含異辛烷百分?jǐn)?shù)，即為該樣品的辛烷值。第21頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四C5、 C6正、異構(gòu)體熱力學(xué)平衡組成 第22頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑也同時(shí)加速逆反應(yīng)速率根據(jù)Kp=K正/K逆，既然不能改變平衡常數(shù)，它必然以相同的比例加速正、逆反應(yīng)的速率常數(shù)。這個(gè)推論具有重要意義。對(duì)于可逆反應(yīng)，能催化正方向反應(yīng)的催化劑，就應(yīng)該能催化逆方向的反應(yīng)。例如，脫氫反應(yīng)的催化劑同時(shí)也是加氫反應(yīng)的催化劑，水合反應(yīng)的催化劑同時(shí)也是脫水反應(yīng)的催化劑。這條規(guī)則對(duì)選擇催化劑很有用。第23頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月2

10、0日，8點(diǎn)54分，星期四催化作用的特征（3）-催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，某一反應(yīng)可能生成不只一種產(chǎn)物時(shí)，應(yīng)用催化劑可加速某一目的產(chǎn)物的反應(yīng)，即稱為催化劑對(duì)該反應(yīng)的選擇性。工業(yè)上利用催化劑具有選擇性，使原料轉(zhuǎn)化為所需要的產(chǎn)品。例如，以合成氣(COH2)為原料，使用不同的催化劑則沿不同的途徑進(jìn)行反應(yīng)。第24頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性-實(shí)例反應(yīng)物催化劑及反應(yīng)條件產(chǎn)物CO+H2Rh/Pt/SiO2，573K，7105Pa乙醇Cu-Zn-O,Zn-Cr-O,573K, 1.0133107 2.0266107Pa甲醇Rh

11、絡(luò)合物,473573K, 5.0665107 3.0399108Pa乙二醇Cu,Zn,493K, 3106Pa二甲醚Ni, 473573K, 1.0133105Pa甲烷Co,Ni, 473K, 1.0133105Pa合成汽油第25頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四熱反應(yīng)時(shí)生成CO2比生成甲醛的能壘小很多甲醇氧化反應(yīng)的不同能壘變化示意圖催化反應(yīng)時(shí)，生成CO和CO2的能壘明顯高于生成甲醛的能壘反應(yīng)產(chǎn)物具有選擇性的主要原因仍然是由于催化劑可以顯著降低主反應(yīng)的活化能，而副反應(yīng)活化能的降低則不明顯CH3OH+O2=CO2+2H2OCH3OH+O2=HCHO+2H2O第26頁(yè)，共73

12、頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化作用的特征（4）-催化劑的壽命催化劑能改變化學(xué)反應(yīng)的速度，其自身不進(jìn)入反應(yīng)的產(chǎn)物，在理想的情況下不為反應(yīng)所改變。催化劑在參與反應(yīng)過(guò)程中，先與反應(yīng)物生成某種不穩(wěn)定的活性中間絡(luò)合物，再繼續(xù)反應(yīng)生成產(chǎn)物，催化劑恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。催化劑象這樣不斷循環(huán)起作用。一定量的催化劑可以使大量的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為大量的產(chǎn)物。實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中，催化劑并不能無(wú)限期地使用，在長(zhǎng)期的反應(yīng)條件下和化學(xué)作用下，會(huì)發(fā)生不可逆物理和化學(xué)變化，如晶相變化、晶粒分散度的變化、組分的流失等，導(dǎo)致催化劑的失活。第27頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑的組成催化劑的組成

13、主催化劑-活性組分助催化劑載體第28頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四 活性組分 【 主催化劑（Catalyst）、共催化劑 (Co-catalyst) 】 指催化劑中能加速反應(yīng)的物質(zhì)。沒(méi)有活性組分則催化劑活性就喪失了。 例如反應(yīng)： 2C2H4 + O2 2CH3CHO 經(jīng)常采用將Pd載于硅膠上的催化劑。如果沒(méi)有Pd，只有硅膠則對(duì)反應(yīng)無(wú)活性，這里Pd就是活性組分。 第29頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四 活性組分 共催化劑：共催化劑是能和主催化劑起作用的組分 例如：在MoO3-Al2O3型脫氫催化劑中，單獨(dú)的MoO3和Al2O3都只有很小的活性，但

14、把兩者組合起來(lái)，卻可制成活性很高的催化劑，所以MoO3和Al2O3互為共催化劑。 合成氨的反應(yīng)中，鐵系催化劑可以單獨(dú)作為主催化劑，已成功工業(yè)化數(shù)十年，近年的研究證明，使用Mo-Fe合金更好，合金中Mo含量在80%時(shí)其活性比單獨(dú)的Fe或Mo都高，這里Mo就是主催化劑，而Fe反倒成了共催化劑第30頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四助催化劑(promoter)助催化劑是加到催化劑中的少量物質(zhì)（510%) ，是催化劑的輔助成分，本身沒(méi)有催化活性或活性很小?？梢愿淖兇呋瘎┑幕瘜W(xué)組成、結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)、酸堿性、分散度等具有提高主催化劑的活性、選擇性，穩(wěn)定性和壽命。助催化劑的種類(lèi)：結(jié)構(gòu)性助催

15、化劑和電子型助催化劑第31頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四結(jié)構(gòu)性助催化劑結(jié)構(gòu)性助催化劑的作用主要是提高活性組分的分散性和熱穩(wěn)定性。通過(guò)加入這種助催化劑，使活性組分的細(xì)小晶粒間隔開(kāi)來(lái)，不易燒結(jié)；也可以與活性組分形成固熔體而達(dá)到熱穩(wěn)定，提高活性。能起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用的助催化劑，多為熔點(diǎn)較高、難還原的金屬氧化物。如氨合成用的Fe催化劑，通過(guò)加入少量的Al2O3。使其活性、和壽命大大延長(zhǎng)。原因是Al2O3與活性Fe形成了固熔體，有效阻止了Fe的燒結(jié)。第32頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四電子型助催化劑電子型助催化劑：作用是調(diào)整催化劑主要活性組分的電子結(jié)構(gòu)、表

16、面性質(zhì)或晶形結(jié)構(gòu)，從而提高催化劑的活性和選擇性。研究表明，金屬的催化活性與其表面電子的授受能力有關(guān)。具有空成鍵軌道的金屬，對(duì)電子有強(qiáng)的吸引力，而吸附能力的強(qiáng)弱和催化活性緊密相連的。如氨合成用的鐵催化劑中，F(xiàn)e有空的d軌道，可以接受電子，在Fe-Al2O3中加入K2O后， K2O把電子傳給Fe，使Fe原子的電子密度增加，提高其活性，所以K2O 是電子型的助催化劑。第33頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四載體載體是催化劑活性組分的分散劑、支撐體，是負(fù)載活性組分的骨架。將活性組分、助催化劑負(fù)載于載體上所制得的催化劑，稱為負(fù)載型催化劑。載體有天然的和人工合成的，可劃分為低比表面和

17、高比表面兩大類(lèi)。載體關(guān)系到催化劑的活性、選擇性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度，也關(guān)系到催化過(guò)程的傳質(zhì)特性。第34頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四載體的功能1、提供有效的表面和合適的孔結(jié)構(gòu)； 2、增強(qiáng)催化劑的機(jī)械強(qiáng)度；3、改善催化劑的熱穩(wěn)定性； 4、減少活性組分的含量；5、提供附加的活性中心；6、與活性組分之間的溢流現(xiàn)象和強(qiáng)相互作 用。第35頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四載體維持活性組分的高度分散Pt 110 nm之間分散度迅速降低；無(wú)載體的 0.55 nm Pt粒子 在400500oC溫度下，會(huì)迅速燒結(jié)， 400oC下，1小時(shí) 50 nm ，6個(gè)月變成2

18、00 nm 。若在載體上，燒結(jié)和聚集就大大降低。第36頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四載體提供附加的活性中心-例子像-Al2O3這類(lèi)載體表面存在酸性活性中心，Pt/ -Al2O3 催化劑，載體的這種附加的酸性活性中心，可以使正構(gòu)烷烴的異構(gòu)化反應(yīng)朝有利的方向進(jìn)行。第37頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四理想的催化劑載體應(yīng)具備下列條件 (I)1、具有能適合反應(yīng)過(guò)程的形狀和大小；2、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受反應(yīng)過(guò)程中機(jī)械或熱的沖擊；有足夠的抗拉強(qiáng)度，以抵抗催化劑使用過(guò)程中逐漸沉積在細(xì)孔里的副反應(yīng)產(chǎn)物如積碳或污物而引起的破裂作用；3、有足夠的比表面，合適的

19、孔結(jié)構(gòu)和吸水率，以便在其表面能均勻地負(fù)載活性組分和助催化劑，滿足催化反應(yīng)的需要；4、有足夠的穩(wěn)定性以抵抗活性組分、反應(yīng)物及產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕，并能經(jīng)受催化劑的再生處理；第38頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四理想的催化劑載體應(yīng)具備下列條件 (II)5、能耐熱，并具有合適的導(dǎo)熱系數(shù)；6、不含可使催化劑中毒或副反應(yīng)增加的物質(zhì)7、原料易得，制備方便，在制備載體以及制備成催化劑時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染；8、能與活性組分發(fā)生有益的化學(xué)作用； 9、能阻止催化劑失活； 第39頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑分類(lèi)多相催化劑：在反應(yīng)過(guò)程中與反應(yīng)物分子分散于不同相中的催化

20、劑，它與反應(yīng)物之間存在相界面，相應(yīng)的催化反應(yīng)稱為多相催化反應(yīng)。均相催化劑：指反應(yīng)過(guò)程中與反應(yīng)物分子分散于同一相中的催化劑，相應(yīng)的催化反應(yīng)稱為均相催化反應(yīng)。酶催化劑：酶是膠體大小的蛋白質(zhì)分子，其催化反應(yīng)具有均相催化反應(yīng)和多相催化反應(yīng)的特點(diǎn)：淀粉酶使淀粉水解成糊精：淀粉酶均勻分散在水溶液中（均相），但是反應(yīng)卻是從淀粉在淀粉酶表面上的積聚多相）開(kāi)始的按催化反應(yīng)體系的物相均一性分類(lèi)第40頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四均相催化劑的實(shí)例第41頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四多相催化劑實(shí)例第42頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四金屬催化

21、劑（Ni,Fe, Cu, Pt, Pd等過(guò)渡金屬或貴金屬.)金屬氧化物催化劑和金屬硫化物催化劑(多為半導(dǎo)體) TiO2、 La2O3、CeO2、MoO3、 MoS等金屬配合物催化劑（MLn)雙功能催化劑（Pt/SiO2-A12O3； Pt（Pd)/分子篩；MgO-SiO2 ）按催化劑的元素及化合態(tài)分類(lèi)第43頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四雙功能催化劑雙功能催化劑定義：指其催化的過(guò)程包含了兩種不同反應(yīng)機(jī)理，催化劑具有不同類(lèi)型的活性中心。反應(yīng)需要在各自獨(dú)立的活性中心上進(jìn)行才能完成而產(chǎn)生。例如，Pt/SiO2-A12O3； Pt（Pd)/分子篩；MgO-SiO2 酸堿雙功能催

22、化劑。第44頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四雙功能催化劑-實(shí)例正庚烷異構(gòu)為異庚烷的反應(yīng)，在SiO2-A12O3催化劑上，幾乎無(wú)反應(yīng)。而在Pt/SiO2-A12O3催化劑上反應(yīng)活性很高。原因是正庚烷異構(gòu)為異庚烷的反應(yīng)不是簡(jiǎn)單的烷烴異構(gòu)反應(yīng)，中間要經(jīng)過(guò)正庚烷脫氫為烯烴，烯烴異構(gòu)為異烯烴，然后再加氫為異庚烷。Pt組分是屬于氧化還原機(jī)理類(lèi)型反應(yīng)的催化劑，起脫氫加氫作用。 SiO2-A12O3 是屬于酸催化機(jī)理類(lèi)型反應(yīng)的催化劑，異構(gòu)化在酸中心上完成。第45頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四第46頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四按催化劑

23、的作用機(jī)理分類(lèi)酸堿型催化劑：催化作用的起因是由于反應(yīng)物分子與催化劑之間發(fā)生了電子對(duì)轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)化學(xué)鍵的異裂，形成了高活性中間體，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。氧化-還原型催化劑：催化作用的起因是由于反應(yīng)物分子與催化劑發(fā)生了單個(gè)電子轉(zhuǎn)移。配合型催化劑：催化作用的起因是由于反應(yīng)物分子與催化劑之間發(fā)生了配位作用而使前者活化，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。第47頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四中國(guó)工業(yè)催化劑分類(lèi)方法 一石油煉制催化劑 二無(wú)機(jī)化工催化劑 三有機(jī)化工催化劑 四環(huán)境保護(hù)催化劑 五其它催化劑 第48頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四一 石油煉制催化劑 催化裂化催化劑催化

24、重整催化劑 加氫裂化催化劑 加氫精制催化劑 烷基化催化劑 異構(gòu)化催化劑 第49頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四二 無(wú)機(jī)化工催化劑 脫硫加氫脫硫、硫回收催化劑 轉(zhuǎn)化天然氣轉(zhuǎn)化、煉 廠氣轉(zhuǎn)化、輕油轉(zhuǎn)化催化劑 變換- 高（中）變、低變、耐硫?qū)捵兇呋瘎?甲烷化合成氣甲烷化、城市燃?xì)饧淄榛焙铣纱呋瘎?氨分解催化劑 7 硫酸制造催化劑 8 硝酸制造催化劑 9 硫回收催化劑 第50頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四三 有機(jī)化工催化劑 加氫催化劑 脫氫催化劑 氧化氣相、液相催化劑 氨氧化催化劑 5 CO+H2合成合成醇、F-T合成催化劑 6 酸催化水合、脫水、烷

25、基化催化劑 7 烯烴反應(yīng)齊聚、聚合、歧化催化劑 第51頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四四 環(huán)境保護(hù)催化劑 工業(yè)尾氣處理催化劑 內(nèi)燃機(jī)排氣處理催化劑 第52頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑幾個(gè)重要的性能指標(biāo)根據(jù)催化作用、催化劑定義和特性分析知道催化劑有三個(gè)重要指標(biāo)：活性、選擇性和穩(wěn)定性。工業(yè)生產(chǎn)更多強(qiáng)調(diào)的是原料和能源的充分利用。改進(jìn)型的研究，一般是追求選擇性，其次是穩(wěn)定性，最后才是活性。新催化劑及工藝的研究，則先追求高活性、高選擇性，最后才是穩(wěn)定性。第53頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的概念

26、活性是指催化劑影響反應(yīng)進(jìn)程變化的程度。選擇性是指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的分率。穩(wěn)定性是指催化劑的活性和選擇性隨時(shí)間變化的情況。環(huán)境友好性第54頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四活性的幾種表示方法轉(zhuǎn)化率時(shí)空產(chǎn)率反應(yīng)速率 轉(zhuǎn)換頻率第55頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四轉(zhuǎn)化率表示法-工業(yè)上最為常用的活性表示方法對(duì)于AB反應(yīng)，給定溫度下所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率可用下式表示：XA=（反應(yīng)后已轉(zhuǎn)化的A摩爾數(shù)NA /進(jìn)料中A的摩爾數(shù)N0A）100%注意：在用轉(zhuǎn)化率比較活性時(shí)，要求反應(yīng)溫度、壓力、原料氣濃度和停留時(shí)間都必須相同。第56頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20

27、日，8點(diǎn)54分，星期四規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的溫度和空速表示法 用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如XA=80%）所需要的溫度來(lái)表示，溫度越低活性越高。壓力、原料氣濃度和停留時(shí)間等條件都必須相同用完成給定的轉(zhuǎn)化率（如XA=80%）所需要的空速表示，空速越高活性越好。反應(yīng)溫度、壓力、原料氣濃度都必須相同。第57頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四單程轉(zhuǎn)化率有些反應(yīng)因受熱力學(xué)平衡限制，平衡轉(zhuǎn)化率不高，為了充分利用原料，需將反應(yīng)產(chǎn)物分離，然后補(bǔ)充新鮮原料再循環(huán)使用。對(duì)一次通過(guò)催化劑的轉(zhuǎn)化率稱為單程轉(zhuǎn)化率。第58頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四時(shí)空產(chǎn)率表示法-工業(yè)上最為常用的活性

28、表示方法指在一定條件（溫度、壓力、進(jìn)料組成、空速）下，單位時(shí)間內(nèi)，使用單位體積V或單位質(zhì)量的催化劑所能得到目的產(chǎn)物的量（摩爾數(shù)NB、或質(zhì)量）來(lái)表示，如下式：Y= NB（V t）第59頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四時(shí)空產(chǎn)率計(jì)算例子苯加氫生產(chǎn)環(huán)己烷，年產(chǎn)15000噸環(huán)己烷的反應(yīng)器，內(nèi)裝有Pt/Al2O3催化劑2M3，若催化劑的堆積密度為0.66g/cm3，一年按300天生產(chǎn)計(jì)算，計(jì)算其時(shí)空產(chǎn)率。Yts=15000*1000/（2*300*24）單位：kg/(M3催化劑 h)第60頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四轉(zhuǎn)換頻率表示法(Turnover Fr

29、equency)-TOF定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)每個(gè)活性中心轉(zhuǎn)化的分子數(shù)。這個(gè)表示方法很科學(xué)，但測(cè)定起來(lái)卻不容易。第61頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四催化反應(yīng)速率表示法反應(yīng)速率表示反應(yīng)快慢，一般有三種表示方法。以催化劑重量為基淮以催化劑體積為基準(zhǔn)以催化劑表面積為基準(zhǔn)在催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中，活性多用反應(yīng)速率來(lái)表達(dá)。第62頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四選擇性（1）速率常數(shù)之比反應(yīng)物A在某催化劑上可有兩個(gè)方向（兩個(gè)途徑）進(jìn)行反應(yīng)。例如：且這兩個(gè)途徑有相同的速率表達(dá)式時(shí)，兩個(gè)途徑的速率常數(shù)分別為kB和kC，對(duì)第一途徑生成B的反應(yīng)的選擇性SB為 SB（kBk

30、C）而對(duì)生成C的反應(yīng)的選擇性Sc為 Sc=（kCkB）第63頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四（2）目的產(chǎn)物收率與反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率之比 例如： 反應(yīng)物A可有兩個(gè)反應(yīng)方向進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)物起始量為nAO，反應(yīng)進(jìn)行后A的剩余量為nA，則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率： 反應(yīng)I所得產(chǎn)物B的收率為： 第64頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四反應(yīng)所得產(chǎn)物C的收率為： 催化劑對(duì)反應(yīng)I的選擇性SB為： 同理： 從選擇性SB和Sc的結(jié)果可以看出： 選擇性是反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的量占反應(yīng)物總轉(zhuǎn)化量的百分比。 第65頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四穩(wěn)定性和壽命穩(wěn)定性和壽命對(duì)于工業(yè)催化劑來(lái)說(shuō)是致關(guān)重要的。穩(wěn)定性是指催化劑的活性和選擇性隨時(shí)間變化的情況。壽命是指在指定的使用條件下，催化劑的活性能夠達(dá)到裝置生產(chǎn)能力和原料消耗定額的允許使用時(shí)間，可以是指活性下降后再生活性又恢復(fù)的累計(jì)使用時(shí)間。第66頁(yè)，共73頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)54分，星期四工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性工業(yè)催化劑的穩(wěn)定性包括如下幾方面：1)化學(xué)穩(wěn)定性：保持穩(wěn)定的化學(xué)組成和化合狀態(tài)。2)熱穩(wěn)