工业催化基础

1、工业催化，第1章，催化基础，催化剂概述，1.1催化和催化剂的重要性(P1) 1.1.1催化的重要性(四个方面的讨论)故事：不列颠之战：催化剂代表胜利！1940年7月10日至10月31日，皇家空军在一场英勇的空战中击败了德国空军。英国空军损失了915架战斗机，德国空军损失了1733架。丘吉尔认为这场空战对英国胜利的影响是不朽的。1990年7月15日，派恩斯在芝加哥论坛报上回忆说，辛烷值为100的燃料发挥了重要作用，与1940年5月15日法国战役中使用的辛烷值为87的燃料相比，英国飞机的爆炸加速能力提高了50%。使用相同的飞机，但是使用新的燃料，使得英国皇家空军的飞机飞得更高，更灵活，更快！对这场

2、胜利做出不朽贡献的新燃料是由UOP公司发现和开发的硫酸催化剂生产的烷基化汽油。硫酸催化剂已被氟化氢部分替代作为汽油烷基化催化剂。开发：离子液体催化剂固体酸催化剂。1.工业催化反应了这个国家的生活水平。(1)“催化剂”一词在日常生活中无处不在，自19世纪初就开始使用，但自20世纪70年代以来，人们经常在报纸上看到它。由于汽车尾气造成的严重空气污染，有必要进行催化净化。在此之前，它一直存在于化工厂，几十年来，它一直默默无闻地发挥着重要作用。例如：1)穿戴：如衣服、化妆品、眼镜、假牙、手表、鞋子、雨伞、手袋等。主要由化工厂生产的原料制成；2)药物；精细化学合成3)食品系列：人造黄油、调味品等。4)建

3、筑材料系列：水泥、涂料、建筑材料等。5)电气产品：电视、电脑、冰箱、洗衣机等。6)运输系列：汽车、电车、飞机、火车、轮船等。在国外，特别是在日本，催化剂已经进入普通家庭家用催化剂产品。无烟烤鱼反应：烤鱼燃烧不完全冒烟时，油从油+O2 CO2 H2O中渗出。油的主要成分是由c、h和o组成的羧酸，如硬脂酸C17H35COOH、油酸C17H33COOH及其酯类，它们很难完全燃烧。氧化催化剂用于促进油酯的氧化反应，完全燃烧产生CO2和H2O。便携式煤油炉便携式取暖器：它是寒冷冬天日常生活中不可缺少的物品，也是寒冷地区如滑雪、滑冰和登山时不可缺少的取暖物品。一旦推出，它传播迅速，并已出口到美国和加拿大。

4、据说美国总统里根称之为“20世纪日本最伟大的发明”。原理：催化剂促进铁的氧化、生锈和放热。原料：铁粉、水、锯末(吸水性好的聚合物)、盐和活性炭。混合，廉价和无害。反应：铁氧H2O铁氧Fe3O4 Q，氯化钠，活性炭，铁锈，直流电。无补充水的封闭铅电池：汽车起动用铅电池，其中氢和氧从电池中的电解水逸出，水量逐渐减少。用钯和铂催化剂将氢和氧回收到水中，水的总量保持不变。反应：2h2o2h2oe。催化卷发器：无电，操作简单，方便旅行和携带。原理：较轻的燃料被铂催化剂燃烧以达到加热器要求的温度。反应：C4 H10O2 CO2 H2O Q F。简单的安全防毒面具：对于火灾，目前使用的防毒面具只对煤烟有效，

5、对一氧化碳无效。一种新的防毒面具是用氧化催化剂编织而成，可以将一氧化碳氧化成无毒的CO2，有效时间可达几分钟。反应：二氧化碳、一氧化碳、铂、钯、铂、镉、镉。(2)农业：化肥-粮食生产，例如：6000万吨/年合成氨厂。年消耗量为：HC23亿t，水5400万t，氮5000万t(来自空气)。共有8种工艺(加氢脱硫、氧化锌脱硫、一次转化、二次转化、一氧化碳变换、甲烷化和氨合成)，涉及多达11种催化剂。(3)石油化工：如乙烯、丙烯和化纤(服装)。(四)测量石油炼制燃料和原料的数量、质量和生活水平。根据全国平均炼油能力，判断这个国家的生活水平。在石油炼制工业中，除了诸如蒸馏、脱蜡和脱沥青之类的物理分离过程

6、之外，催化剂在诸如催化裂化、重整、烷基化、聚合、异构化、加氢精制、加氢裂化和脱氢之类的化学加工过程中占据绝对优势。甚至脱蜡的物理分离过程也发展成催化脱蜡。2005年：中国原油加工能力为3.28亿吨，年加工能力为2.862亿吨。它生产1.746亿吨精炼油(5405万吨汽油、989万吨煤油和1.106亿吨柴油)。进口石油1.68亿吨(包括1.27亿吨原油和4144万吨各种石油产品)。石油贸易赤字为500亿美元。2009年，中国原油加工能力为3.75亿吨，增长7.9%，增速比上年加快4.2个百分点；成品油(汽油、煤、柴油合计)产量达到2.28亿吨，增长9.4%，增速2.5个百分点。从以上四个方面可以

7、看出，一个国家的生活水平与其工业催化密切相关。根据国内外最新的化学期刊和信息，有人预测了本世纪初上海化学工业的十大发展前景和热点：1)计算机化学；* 2)催化化学；3)废旧塑料和废弃物的回收利用技术；* 4)分离技术；* 5)工程放大技术；* 6)新能源和节能技术的开发；* 7)生态平衡工厂和舒适工厂，即绿色化工厂；* 8)现代管理系统；* 9)高新技术；* 10)软件开发。现代催化科学是现代化学工业的基础。据统计，大约90%的现代化学和炼油过程是催化过程。使用催化剂可以大大提高产品的收率和质量，降低生产成本，合成许多其他方法无法制备的产品。(1)“催化”在化学工业中的地位，(2)现代化学工业

8、中任何新产品和新工艺的出现都与催化剂的发展有关。例1:乙烯生产的工业方法：渣油、石脑油和轻柴油裂解乙烯。存在的问题：缺乏石油资源，与汽车燃料和其他石化产品争夺原材料。原材料缺乏，瓶颈问题。大力发展：甲烷氧化偶联(OCM)生产乙烯。关键：高效催化剂的研制。自20世纪80年代以来，OCM乙烯生产一直是世界天然气转化研究的热点。从1982年凯勒等人发表的第一篇OCM研究论文到1993年初，发表了950多篇论文，申请了160多项美国专利。据统计，国内外研究的OCM催化剂有2000多种，元素周期表中除氧族元素外，还有几十种主族和亚族元素。目前，OCM乙烯生产已取得突破性进展，并开始投入工业试验。乙烯单程

9、收率达到26 28%。选择的催化剂有氯化锂/二氧化锰、锂/氧化镁、等。此外，合成气烯烃、甲醇烯烃，大力开发，完成工业试验，正在产业化。Ex2:CH4 C2，C3，C4.催化剂：液体超强酸：例如，HSO3F。SbF5 Ex3:功能高分子材料的催化剂。聚合物催化剂是在其大分子链上具有催化活性的基团。优点：(1)非均相体系，催化剂易于分离和回收，便于连续生产，产品纯度高；无腐蚀，无废酸碱排放，环境污染小；选择性好，副反应少；催化剂活性高，收率高，反应速度快；反应条件温和，催化剂的孔结构易于合成和控制，活性基团试剂的容量和酸碱强度易于合成、调节和修饰。聚合物催化剂主要有：大孔聚合物催化剂、全氟磺酸聚合

10、物催化剂、超强酸聚合物催化剂、聚合物金属催化剂、固定化酶和模拟酶聚合物催化剂。80，超强酸，3。环保废气：来自这只猫是一个巨大的蜂窝反应器，容积可达1000立方米，它使用金属催化剂来选择性地净化NH3-NOXN2H2O-EX2:汽车尾气在美国每千人有800辆汽车，在欧洲有400辆汽车，在中国只有40辆汽车。美国有1.5亿辆汽车，这个国家被称为安装了汽车车轮的国家；中国大约有7619万辆汽车，其中？一座城市被称为汽车轮子上的城市。三分之二的城市空气污染物来自汽车。目前，它正在大力推广：电动汽车、NGV、氢能汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车等。以氨为燃料的汽车尾气中含有200多种有害物质，其中以碳氢

11、化合物、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和烟尘危害最大。经过测量，车内的废气污染是车外的18倍。氮氧化物光化学反应光化学烟雾。20世纪40年代末，光化学烟雾在美国洛杉矶出现过多次，直到20世纪50年代。夏季，光化学烟雾经常出现在交通拥挤的十字路口，交通警察肺癌。美国在1974年使用催化剂净化汽车尾气，日本在1975年开始使用。到1987年，美国和日本的所有汽车都装有汽车尾气净化催化剂。氧化催化剂有：碳氢化合物、一氧化碳、烟尘二氧化碳H2O三元催化剂：除碳氢化合物、一氧化碳和烟尘氧化外，还包括氮氧化物还原 N2Ex3:二氧化碳利用技术危害：温室效应直接利用：干冰、三次采油、超临界萃取、农作物气体和肥

12、料等。催化加工：CO2 H2 CH30CH3，CH30H(汽油)，CH4和CO2转化为汽油的新技术：由日本京都大学石油化工专业的甘志兴教授领导的研究团队，多次对催化剂进行改造，成功开发出CO2转化为汽油的新技术。原料气(CO2 225% H275%)与40%CO2甲醇一起通过1号反应器；在2#反应器中，65%甲醇汽油。总结果：26% CO2 汽油目前，该教授已开发出低成本甲烷转化为H2:2CH 4H2O(g)5H 23 OCTAE . Ni、铂和稀土氧化物(10:0 . 533605 . 6)；反应条件为常压：温度550 600。据说氢的转化率在650时为80%，在700时接近100%。例4:

13、柴油的脱硫和加氢脱硫。缺点：投资和运行成本高，需要H2源，高温高压运行，自控复杂。直馏柴油加氢投资500 600万吨/年，运行费用100元/吨。非加氢脱硫-氧化脱硫：常压、常温低温、无氢气消耗、投资和操作简单。过氧化氢氧化的缺点：它消耗过氧化氢并产生废水。SWPU:正在开发空气催化氧化柴油脱硫和选择性催化氧化柴油脱硫。催化是生命的重要组成部分。酶是生物体产生的一种蛋白质，具有高效和特异的催化功能。酶催化的特点：(1)催化效率高，比普通无机或有机催化剂高近1亿倍至数万亿倍；(2)特异性，酶只能催化一种化合物或一类化合物的反应；(3)反应条件温和，可在常压下进行；可以说，自从生物体存在以来，酶的催

14、化作用就已经开始了。例1肝脏：世界上最小的化工厂，只有1.5公斤重，里面有数百种酶，根据一系列严格复杂的方程式催化无数化学反应。Ex2酶诊断：测定血液中转氨酶的升高以确定急性肝炎。从以上四个方面可以看出，没有工业催化，就没有现代技术的世界；没有酶的催化，任何形式的生命现象都不会存在。这表明了各种催化形式(均相催化、多相催化、酶催化)的重要性。催化过程经济学(P1)催化在经济中起着重要的作用，因此很难对其进行准确和定量的解释。在发达国家，催化技术对国内生产总值的直接或间接贡献高达20% 30%。1.以汽车运输业为例。(1)汽车制造：使用各种催化产品，“有机物”占汽车总重量的15%。原油和天然气催

15、化加工单体催化的聚合物材料(2)汽车制造中使用的化学品：溶剂、洗涤剂等。(3)汽车燃料、润滑油和石油产品添加剂的生产过程石油炼制：催化占绝对优势。汽车尾气的催化处理。(1)催化剂根据使用部门分为三类：炼油、化工和环保催化剂。据统计，20世纪80年代中期，全球催化剂销售额仅为25亿美元，1991年达到66亿美元，1995年达到103亿美元，其中炼油催化剂、聚合物催化剂、化学催化剂和环保催化剂分别占22%、16%、26%和35%，而卡特彼勒则占35%。用于汽车尾气处理的占1/3。(2)1986年，美国商务部估计，1984年美国催化剂总消费量为13.3亿美元，同期石油炼制产品和石油化工产品(其中大部

16、分由催化剂生产)的总销售额为2590亿美元，即195美元产值/1美元。(3)“催化”是美国两大工业部门(化学工业和石油加工工业)的关键技术。1991年，美国的催化技术创造了超过4000亿美元的销售额(相当于1996年中国国民经济产出的50%)和160亿美元的贸易顺差。(4)在20世纪70年代，联邦通信委员会猫。在美国由硅铝凝胶改为稀土分子筛，汽油产量每年节约原油4亿多桶，相当于80亿美元/年进口原油(现在70美元/桶原油，320亿美元/年)。如果汽油选择性提高1%2200万桶进口原油。猫。工业发展可以推动原材料、机械制造和相关技术的进步。催化工艺及催化剂发展简介(P1)中国：利用天然生物酶发酵酿酒制醋是古代猫最重要的用途，其基本原理至今仍在使用。(2)在非生物催化方面，18世纪末已经知道陶瓷管中乙醇脱水乙烯，并证实氧化铝是陶瓷管中的活性成分。反应：乙醇C2H4 H2O从化学工业的发展历史来看，催化过程和催化剂的开发与应用经历了三个阶段。第一阶段：萌芽阶段(1935年以前)，催化工业发展的早期阶段(1)硫酸生产1746年，铅室法硫酸生产：SO2 1/2 O2 NO2 Al2O3 NO2为Cat，成为工业催化剂发展的开端；1831年，英国醋制造商菲利普斯发现用SO2 1/O2 PTSO3生产硫酸的效率是1879，寿命是猫。和V2O5