催化材料与工业催化剂设计

《催化材料与工业催化剂设计》

Catalystmaterialsanddesignofindustrialcatalysts主讲人：刘建军电话：地点：东区科技大厦10012013年9月13日参考书[1][澳]戴维L特里姆．工业催化剂的设计．金胜勇译．北京：化工出版社，1984[2][美]L.L.赫格达斯,催化剂设计-进展与展望．彭少逸等译,北京:烃加工出版社，1989[3]黄仲涛等.工业催化剂设计与开发.广州:华南理工大学出版社,1992[4]潘履让．固体催化剂的设计与制备．天津:南开大学出版社，1993[5]吴越．催化化学．北京：科学出版社，2000[6]甄开吉等编．催化剂作用基础．北京：科学出版社，2005（第九章，固体催化剂设计）[7]王尚弟,孙俊全.催化剂工程导论(第二版).北京:化学工业出版社,2006（第五章，工业催化剂的制备设计）[8]黄仲涛,耿建铭.工业催化(第二版).北京:化学工业出版社,2006(第10章,工业催化剂的设计)[9]黄仲涛，彭峰.工业催化剂设计与开发.北京:化学工业出版社,2009[10]唐新硕.催化剂设计.杭州:浙江大学出版社，2010催化领域主要学术期刊中文：催化学报分子催化英文：AppliedCatalysisA:GeneralAppliedCatalysisB:Environmental(Top)CatalysisTodayJournalofCatalysis(Top)StudiesinSurfaceScienceandCatalysisPublishedbyElsevierCo.Ltd第一章绪论催化剂的重要性----化学工业的基石和支柱“没有催化剂，就不可能建立现代的化学工业”应用领域：无机和有机化工、石油加工、煤化工、高分子化工、精细化工（生化、食品、医药等）、环保、能源产值：195美元产品/1美元催化剂（美国商务部，1984年）,具有可观的直接经济效益和间接经济效益(广辟资源,促进革新,降低成本,提高质量等)20世纪工业催化剂重大发明绪论催化剂和催化作用

A+BC+D催化剂：1977年，IUPAC推荐的定义是：存在少量就能显著加速反应而本身最后并无损耗的物质称为该反应的催化剂。催化作用的共同特征1不能改变反应的平衡,但能加速到达平衡时间(对可逆反应具有同样催化效果)；2催化剂为反应开辟了一条新途径，降低了活化能；3催化剂具有选择性；4催化体系是热力学上可行的反应(rGm0)。催化剂是一种调控化学反应速率和产物选择性的重要功能材料。合成氨催化机理示意图开辟新途径,降低活化能催化剂的选择性示例绪论催化剂的重要性

(化学反应实用化或工业化)1使很难进行的反应变为实际可行.如H2+O2/PtH2O(燃料电池)2控制串联反应进行的程度.ABCD（如B为中间物）加催化剂可使反应几乎停止在某一阶段，获得预想的产物。3控制产物的选择性(如前图)。催化献常用脑术语转化魂率[肚x]：某殃反应执在给歉定反腿应条艳件下纽奉转化雀为产赤品（滑包括象副产寨品）编的百坊分数论称为谨该反泰应物司在该预反应才条件钞下的之转化恼率。产率欺[Y扮]：反独应产钓物（艰目的掉物）预的数逗量相厅对于碎起始著反应子物总肚量的搞百分测数称船为产说率。染通常而，产仙率[择Y]戒=选净择性柜[S疗]转铃化率库[x焦]时空竟产率扮[S翠TY愿]：催旁化反迁应中裳，反鹊应物间在单男位时厨间内叛通过局单位占体积唉催化恨剂所浓得某获一产岂物的雹数量希，称鲁为该钢产物怠的时造空产劣率。空速：单闹位时迅间内狐通过慨单位洒体积席（或驼质量号）催姥化剂端的反末应物艺体积倡（或枕质量匠）。恰如1鸽h内谁通过眯1m3催化病剂的颂反应焦物体致积为喷1m3，其短空速高为：辩1m3(r射ea盖ct抗an弹t)甜/[弄1m3(c或at腿al末ys扯t)·1墓h]蛮=1邻h-1其它浓术语卷还有披：催梦化剂侵的稳存定性侦、机会械强灰度、识密度驱（堆堡密度恼，颗芹粒密配度，睡真密那度）艺、比轨表面揉积、罩孔分慢布、宪中毒膀、寿互命、最活化举、失参活等三个伍重要偷的催舱化评卵价指压标活性谊(转您化率幅)+部选择铲性+典稳定晒性(写寿命静)相对储重要考性(谦特定硬催化岩过程活有其臂特定俗需要吓):已有版工艺爆的改胖进:地选择永性稳科定性曲活衬性新工音艺(场新催似化剂勺):倒活待性高选择杠性糊稳定扛性催化根作用龟简单刑原理1意碰撞唤(c链ol抽li遥si倍on毁)理乡丰论k=pZ勾ex敏p(树-E市/R闭T)k为慢反应知速率导常数暮,去p为侨空间暂因子址(体兆系不扮变,竹为常辆数,倘1~10-9),电Z歪为不爬同分剂子的漆碰撞期数(泄包括呼a,财反生应物钳分子积与催总化剂肢表面散的碰膨撞[难有效要],从b阁,勿反应路物分侵子间季[无晃效]论,骑ba,穿1奇012倍)织,明E为模活化祸能。催化晴作用荒简单伤原理2筛过渡害态(挨tr城an羡si但ti浅on率s兄ta缓te浊)理患论化学怨反应桐不是度只通隙过简塞单的讽碰撞地就能狐变成崇产物业，而锐要经示过一捡个由晶反应滋物分谢子以惧一定增构型香存在洽的过贼渡态赌，形根成这王个过粗渡态秆需要至一定悉的活控化能很，故衡过渡拖态又施称活化咱络合宰物，活睡化络吨合物巨与反等应物乡丰分子惩间建弃立化分学平内衡，运总反黑应速革率由仿活化情络合陕物转淘化成注产物受的速斗率决卖定（更控速矩步骤之）。催化乳剂降村低活和化能慌实例催化迅反应欺和催存化剂望分类1忘催化换反应霸分类(1坐)多素相催脊化(啊he梨te攀ro想ge躲ne漆ou环s茄ca婆ta禽ly疮si升s)（气学-固话，液培-固劝）-商--慨应用红最广过,机也理复漆杂(2厕)烘均相支催化咽(h貌om如og胀en明eo担us猫c闭at息al六ys宇is啊)机理牧清楚帮,乔分离哈、回哨收和敏再生区困难壁，贵饺金属困昂贵(3置)址酶催四化(踏en笛zy锹me蹄c料at馅al无ys径is迁)属于歌胶体饿尺寸中的蛋江白质暖大分卧子，细大小资介于瓦均相擦中的院分子碧和宏开观的旬多相篇催化唐剂基炭本微尚粒之数间，彼这些苹特点初决定触它有改高活鹿性和绒高选煤择性烘，且然反应碧条件洋温和遮。发展俱方向暖：均相清催化撤剂负息载化长；酶寇的模嗓拟和层人工淋合成酶催登化的辈特点酶催敏化的吗机理不同牲催化慨剂对贞活化吐能的危影响高效泊性、袍专一芝性、直温和电性、露环境确友好霸性50穷年/演餐催化允反应吐分类采(工喊艺与领工程谢特点备)2浮多相执催化赚剂的杰种类1弦金属艳:加胞氢、钓脱氢结、加给氢裂境解(箱Fe明、N名i、趟Pd猛、P冶t、六Ag医）2给半导丸体氧佩化物笔和硫叫化物毕：氧特化、奔脱氢宫、脱碧硫（翻Ni肢O、较Zn犁O、模Mn因O2、C并r2O3、B受i2O3-M疯oO3)3坑绝缘尺体氧骨化物可：脱番水(同Al2O3,翅Si辣O2,瞧Mg田O)4私酸(锡液体教或固搏体）旬：聚露合、场异构狠化、忌裂化池、烷育基化延(H3PO4,H2SO4,分泛子筛域)金属沟催化从剂过渡组金属牺盐类迫络合鬼物催告化剂半导扫体氧葡化物性、硫童化物星催化导剂固体大酸催习化反绢应和镇催化梁剂固体扎酸催贷化剂缘瑞种类第二彩章催化邻剂的抵总体蓄设计(T鬼he装o担ve线ra诊ll锋d览es锣ig葵n锡of闲c嘉at庄al轿ys票t)催化矮剂研倾究发梯展现且状：由含于催辨化过环程（舍学科汗多）辣和催挣化剂料（影岗响因吉素多联）的筑复杂螺性，陵目前竖的催农化理乳论还戏远未学完善贺。预铁测不蹄可能痛十分猛正确介，但白可以郊减少逝验证德工作年量。上世口纪7疯0年孩代才舅发展毅起来世，当脑时主矿要靠苹经验鹅和大葱量筛送选试叼验。合成器氨（是化肥墓+硝浓酸）长的铁郊催化横剂(惩Ha插be贺r振an枯d辰Ca扰rl薯B幻玉os殿ch纸[B俗AS闷F]菠)-艰--心两万调个催以化剂草配方枪试验19牢09洪,蛾Os尚a浓t犁17环.5坐MP颈a则+6扇00C暴U投Fe尤泻Fe插+K立OH谣和铁矿听石故Fe宰+A补l2O3+K享OH沟(C排aO腥)重要搭认识罢(A次lw暂in捏M笨it董ta灶sc忆h)果：“夏高效锹催化制剂是诉一种赚多组廉分体去系”近代价物理味方法盆的应驻用（逮表征片—c合ha啄ra醋ct喷er炕iz册at永io果n）为得到给了一库些规字律。催化兵剂设软计的赚类型1为京开发丛新催花化过辣程而眼设计面新催兼化剂傅，使佛其实间现工滋业应衬用；2对摄现已复应用障催化状过程闹进行液改进达，如氧改善洒其活宴性、贱选择忙性、机稳定躺性等们；3对吐于催讲化剂吃生产靠厂家允，在舒保证狂催化顷剂其渠质量晶前提晋下，殊通过狼改进座工艺锤或采葬用价妹格较艇低的执原料脉来降漂低其惜成本垒。本课享程设狸计内芳容重趴点是袍第一蓄种类朝型。催化短剂的瓦设计内容：应酸用现塞有的峰催化梯理论潮知识牛、规劳律和干经验端，对决所研型究的鼻对象误进行捞分析粮、逻塌辑推话理，拾以逐缝步缩惠小范讨围和步逼近仙所希戏望的茄催化馒剂。过程：1睬常规吧知识请和逻妙辑推掩理的妨联合金；2催块化剂欺设计趋和试婆验验不证相部结合萝且反六复进计行;3尽揭可能就多的楼吸收裂、参撕考和页采用耗文献赵资料炼，既誓有理怠论又昆有实祖践价吩值。催化业剂设详计的团三个农层次无机移材料提、有腐机反范应、津物理匪化学化学勉+化团工(殿传递美过程政+反东应工还程)匙+现残代分玩析手桐段多相班催化前剂的瞎孔结麦构工业庄催化概相关纠学科过渡吓金属多相谢催化均相劝催化表征放大机理机理催化洽剂设蚀计步态骤右图丛所示蜂为D敌ow状de太n的在设计幕方法铺，它虎们包养括：(1躁)化龄学计眼量分婶析；(2查)热梅力学痒分析停；(3递)假早定分答子机纱理；(4披)假很定表仍面机施理；(5限)反丢应路辣径识凯别；(6筝)确驴定所希需的铃催化猎剂性甲质；亩(7克)寻诞找适训当的道材料铁；(8踪蝶)假或定催锈化剂钉等步做骤。计算盯机辅昨助催乔化剂赠设计伪流程遥图组合跌催化胞技术馒和高搁通量滤催化室剂筛坊选可将呢催化梨剂发鸽现和鲁开发省速度淋提高浩成百杠上千死倍批量洞合成冬+快水速分那析尽可泉能减尖少实确验次恶数催化老设计百所需立的重桃要关非系正向曾：设按计（侍理论甜、经专验催庙化剂烤材料授）反向赵：研糕究开佩发（边新催子化剂性累能）传统哀催化虏剂开房诚发模阅型(凤早期竖)时间奇长花费笔大大量给实验啄筛选边（目朝标盲央目，衰任务般艰巨期,春属于缠“炒信菜式陵”技负艺）分僚子催谨化8-台12映年催化姜剂分仇子设德计在分这子水壳平上烟系统忘的控谜制材跃料的冒结构希，包恒括催恨化剂忆。催化芬剂的坝分子杂设计啦过程检如右躲图所扛示，旷市场包对新凤产品握或新姓过程缓的需奇求与这近来膨的技锁术性给材料炒过程筐和概俗念紧愚密相扯联。分子贤催化一种绣工业隶催化奖剂的朵全面喉开发(Th秀e搅ov集er趴al议l喝de湾ve层lo洗pm奋en辞t估of别a锁n避in肠du裙st杆ri聋al巧c章at彼al专ys艘t)一种摸新的云工业趣催化级剂的缎开发删，主亦要根尤据所职催化卷的反旧应，疏现有甲的知被识和赌设备杀及所副需规拼模的殖大小霜来考宝虑，级而这智三种捏主要胳因素政是由市场依情况损、政泳府法德令和耗改进堆现有素工厂矿条件的要队求所勉决定餐的。一种咏新的患催化酒剂的粮应用胜有几煌个不郑同的明阶段举，各灰个阶肉段的窑费用昨和复陪杂性妨也不考同。侵如图疫2-畜1中拣所示打。一个获工业伤催化孟反应价的开蝇发过亏程催化意剂设嘴计的悔科学撇基础(T饲he沫s昌ci汗en膏ti浅fi猴c和ba巾si幅s易of码d星es预ig枕n)①设想(T组he分i院de症a)②初椅步核论实(P野re管li舰mi备na乳ry卡c清he狠ck摸in校g)③设小想描陵述(T泄he银d爆es程cr极ip雁ti收on忍o妻f多th扮e杰id康ea棋)④理基论设辞计：悬催化颤剂的筐主要龟组分(T俯he匆or第et身ic羽al造d监es仙ig鞋n:欲p木ri虹ma梳ry啄c含om矩po浓ne垦nt耻o无f宜th巷e罚ca团ta偶ly茂st瞎)⑤催莲化剂虽失活(C旗at歌al象ys报t血de挤ac蒜ti箭va坑ti便on趣)⑥催盆化剂首的次圾要组熟分(S袋ec豆on达da达ry岂c陕om欠po断ne张nt叹sof么a辆c铁at仗al谦ys缝t)⑦催忘化剂墨最佳缘瑞型的拒选择(S古el设ec使ti愁on树o喝f磁th累e殊pr豆ef骡er筛re铁d旨fo趣rm断o卧f猪th兽e逮ca跳ta咏ly胶st稻)①设想目标佩：提战高汽根油辛丑烷值办法津：加屯四乙努基铅垂（有意污染首）；欲提高己支链捷烷烃纪或芳泰烃含饲量（荒热力溉学上酒更可心行）评价斤优缺业点目前语这一兆反应敢的逆捆反应涝也很脉受重跟视③设稻想描次述目标托反应副反缘瑞应a.店起享始过催程（讯异构逃化或练裂解鸣）AA’拦BB’挥AA1+A2BB1+B2b.逐同应分子季间相朽互反错应A+紧AA3B+缘瑞BB3c.狱异眠分子理间相裁互反欲应A辨+眨BC+简D阁A德+肃BEd.造衍何生的觉起始蹦过程CC’钞DD’描EE’跪CC1+C2D