第三章章第二节催化剂(part1).ppt

1、第三章 化工生产过程基本知识,第二节 工业催化,第一课时,1、理解催化作用的含义。 2、掌握催化剂的基本特征。,教学目标,一、催化剂的基本特征,1、催化剂的催化作用 （1）定义 催化剂是指能加快反应速度，而反应过程中其化学性质和物质的量均不发生变化的物质，催化剂的这种作用叫催化作用。,（2）催化作用,催化剂之所以能加速化学反应速率，是因为它能与其中一种反应物生成不稳定的中间化合物，这种中间产物又与另一种反应物发生反应，致使整个反应反应的活化能迅速降低，结果使反应易于发生。,如A和B两种反应物发生反应生成产物C，在没有使用催化剂之前为：,在使用催化剂S之后为：,催化剂所起的作用可以从阿雷尼乌斯方

2、程看出：,K反应速率常数，代表反应速率快慢的数值； A碰撞因子，它反映了反应物分子的热运动情况，温度越高其数值越大，但是由于本身数量级在1069以上，所以温度对其影响甚微。 E活化能，单位是J/mol；它是反应发生所需要的最低能量。,阿累尼乌斯方程,下面通过一个实例来说明催化剂在化学反应中的作用。,催化剂加快反应速率的秘密,在使用催化剂之前，活化能为184.23kJ/mol；,使用催化剂（金）之后，活化能为104.68kJ/mol。,反应温度,使用催化剂后反应速率提高了近1800万倍。,降低反应的活化能,2、催化剂四个基本特征,（1）催化剂只能加快化学反应速率，缩短到达平衡所需的时间，而不能改

3、变化学平衡的位置。 （2）催化剂具有加速某一特征反应的能力，即催化剂具有选择性。 （3）催化剂能够同样加速正逆化学反应速率，但并不意味着正反应的催化剂就能直接用于逆反应。 （4）催化剂都具有一定的寿命周期。,1、催化剂只能加快化学反应速率，缩短到达平衡所需的时间，而不能改变化学平衡的位置。,当反应的始末状态相同时，无论有无催化剂，该反应的热效应、平衡常数、平衡转化率和自由能的变化都相同。,催化剂基本特征,2、催化剂的选择性,银催化剂能够加速环氧乙烷的生成速率。且目前仅发现银具有加速该反应的能力；而且银只能加速乙烯环氧化，而不能使丙烯环氧化生成环氧丙烷。,催化剂基本特征,3、催化剂能够同样加速正

4、逆化学反应速率，但并不意味着正反应的催化剂就能直接用于逆反应。,例如，催化加氢与脱氢是一对可逆反应,而脱氢是吸热反应，高温对平衡有利。,加氢是放热反应，低温对平衡有利；,如果将加氢催化剂直接用于脱氢： （1）会使金属催化剂烧结； （2）由于有机物的析炭作用，覆盖在催化剂的表面上； 造成催化剂失活。,铜基催化剂（ 220250 ）,催化剂基本特征,4、催化剂都具有一定的寿命周期,虽然催化剂参与了基元反应，但经过一系列基元反应后又恢复了原来的状态，其质量、组成和化学性质均没有发生变化，按照催化剂催化作用的原理，原则上将其可以循环使用。 例如乙烯液相配合催化氧化制乙醛：,催化剂中起催化作用的为氯化钯

5、。,催化剂基本特征,氯化钯参与反应,乙烯的羰基化反应：,金属钯的再氧化反应,氯化亚铜的氧化反应,氯化钯参与了基元的反应，但经过基元、金属钯被氯化铜氧化成氯化钯。,问：催化剂按规定量加入后，是否可以一直使用下去？,催化剂的使用寿命,催化剂在使用过程中由于各种物理或化学因素，使催化剂流失、中毒，降低了催化剂的活性和生产能力，所以催化剂不能无限期具备所希望的性能，其使用具备一定的寿命周期。 河南中原大化公司的一套日产1000吨合成氨装置，自1990年5月开车以来，第一炉KATALCO 74-1催化剂已经运行近20年。 大庆炼化公司催化重整装置使用的铂铼3932/3933催化剂自2002年开始使用，如

6、今运行8年，延长使用寿命2年。,练习,1、催化剂之所以能加速化学反应，是因为它能与其中一种反应物生成一种不稳定的_，这种中间产物又与另一种反应物发生反应，致使整个反应的活化能得以_，使反应易于发生。 2、阿累尼乌斯方程的表达式：_。,一、填空题,降低,中间化合物,二、选择题,1、催化剂在反应中所起的作用是（ ）。 （A）催化剂只对正反应加速，同时还可以减慢副反应； （B）催化剂能缩短反应到达平衡的时间； （C）催化剂能提高反应产物的平衡收率。 2在下列反应中， MnO2作为催化剂的是（ ）。 AMnO2和浓盐酸混合加热制氯气； B MnO2和固体KClO3混合加热制氧气； C MnO2加入过氧

7、化氢溶液中制氧气。,练习,B,C,B,三、判断题,（ ）1使用催化剂并不能改变反应速率。 （ ）2、使用催化剂可以加快反应速率。 （ ）3.加入催化剂可以缩短达到平衡的时间。 （ ）4.加入催化剂可以改变反应的平衡状态。,练习,第二课时,1、理解固体催化剂的组成。 2、掌握催化剂的比表面、活性、选择性和寿命等概念。,教学目标,二、催化剂的组成及性能指标,1、催化剂的分类 （1）按催化剂的组成来源分类： 生物催化剂也称酶催化剂 非生物催化剂（多为工业催化剂） （2）按催化剂的催化作用过程分类： 均相催化作用的催化剂 非均相催化作用的催化剂,工业上大多是固相催化作用,工业上主要是液相催化作用,均相

8、催化剂,均相催化剂和它们催化的反应物处于同一种物态（固态、液态、或者气态）。 例如：如果反应物是气体，那么催化剂也会是一种气体。笑气（一氧化二氮）是一种惰性气体，被用来作为麻醉剂。然而，当它与氯气和日光发生反应时，就会分解成氮气和氧气。,氯气就是一种均相催化剂。,非均相催化剂,非均相催化剂呈现在不同相的反应中，即和它们催化的反应物处于不同的物态。 例如：在生产合成氨时，通过铁催化剂，能够把氮气和氢气转变成氨。,固态铁是一种非均相催化剂，被它催化的反应物则是气态（氢气、氮气）。,2、液体催化剂,（1）液体催化剂的组成 分为酸碱型催化剂和金属配合物型催化剂。 （2）液体催化剂配制方法 一般是配制成

9、浓度较高的催化剂溶液，然后按反应需要，用适宜的配比加到反应体系中，溶解均匀而起到加速化学反应的作用。 例如乙醛氧化法生产醋酸,先用60%的醋酸水溶液与固体粉末碳酸锰按10 ：1（质量）比例配制成: 含醋酸锰8%12%、 醋酸45%55%的高浓度水溶液， 然后按反应要求控制醋酸锰在氧化液中的含量为0.08%0.12%.,3、固体催化剂,（1）固体催化剂的组成 活性组分 助催化剂 抑制剂 载体,镍催化剂,鈀催化剂,钒催化剂,如何衡量固体催化剂的性能好坏呢？,活性组分,在催化剂中起到主要催化作用的物质。 它们都是一些过渡金属及其化合物，容易进行表面吸附形成不稳定的中间化合物，降低了反应的活化能，使反

10、应易于发生。 如SO2催化氧化用的V2O5 -K2O- SiO2催化剂中的V2O5 。,固体催化剂的组成,助催化剂,本身没有催化性能，但它的加入却能明显改善催化剂性能的物质。 它们都是碱金属及碱土金属的氧化物或盐类。由于它们的加入可以提高催化剂的耐热性能、耐毒性能，明显改善催化剂的性能。 如SO2催化氧化用的V2O5 -K2O- SiO2催化剂中的 K2O 。,固体催化剂的组成,抑制剂,有时为了抑制副反应的发生，宁愿以降低反应速率来提高反应的选择性，人为地加入一些能够使催化剂活性降低的物质，称为抑制剂。 一般抑制剂的量有严格的控制，一般抑制剂随反应物料一起带入，很少在制备催化剂时加入。 如乙烯

11、环氧化生产环氧乙烷，为了抑制副反应的发生，须加入二氯乙烷等抑制剂。,固体催化剂的组成,载体,是催化剂中含量最多的组分，载体的最基本功能是作为催化剂的骨架，分散催化剂的活性组分、助催化剂或抑制剂。如SO2催化氧化用的V2O5 -K2O- SiO2催化剂中的SiO2。,固体催化剂的组成,载体一般为多孔状物质，如三氧化二铝、硅藻土等。,三氧化二铝,硅藻土,硅藻土由无定形的SiO2组成，并含有少量Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3及有机杂质。,（2）固体催化剂的性能指标,比表面积 活性 选择性 寿命,比表面积,定义：1g催化剂所具有的表面积，单位m2/g。,固体催化剂的性能指标,工业催化剂一般加工

12、成一定粒度的、多孔性物质，并通过载体使活性组分高度地分散，其目的是增加催化剂与反应物的接触面积。,活性,指催化剂改变化学反应速率的能力。,固体催化剂的性能指标,工业催化剂要求有足够的活性。但并不是活性越高越好。,对于选择性较好的催化剂，活性越高，原料的利用率越高，所需的反应温度越低，生产能力就越大。,对于选择性不好的催化剂，活性越高，原料的浪费就越大，生产成本就越大，经济效益就越差。,选择性,就是指反应消耗掉的原料中有多少转化为目的产物。,固体催化剂的性能指标,下面举例说明：,选择性越高，说明得到目的产物的比率就越高，原料消耗和产品生产成本就越低，而且产物就越容易分离，经济效益就越好，所以催化剂选择性越高越好。,结论：在转化率一定的情况下，催化剂的选择性越高，得到的目的产物就越多。,选择性高与低的不同,寿命,指催化剂使用周期的长短。 它表征的是单位产品所消耗的催化剂的量，或从催化剂投入使用直至经过再生也不能恢复其活性，达不到生产所需要的转化率和选择性为止的时间。 催化剂的寿命越长越好，一方面可以降低生产成本，另一方面可以减少开停车次数，提高装置的生产能力。 影响催化剂寿命的因素有：,固体催化剂的性能指标,影响催化剂寿命的因素,化学稳定性 热稳定性 机械稳定性 耐毒性能,一、填空题,1、在催化剂中对主反应具有催化作用的物质称为_，而本身没有催