工业催化讲稿XJ-2

工业催化教学大纲工业催化教学大纲工业催化是化学工程领域中的重要分支，它涉及到催化剂的设计、合成和应用，以及催化反应的机理和工艺优化等方面。

工业催化在化学工业的生产过程中起着至关重要的作用，因此，对工业催化的教学也显得尤为重要。

一、引言工业催化作为一门学科，其研究内容主要包括催化剂的种类、性质和合成方法，以及催化反应的机理和工艺优化等方面。

它在化学工业中的应用非常广泛，可以提高反应速率、改善选择性和增加产率等。

因此，对工业催化的教学需要系统而全面的安排。

二、基础知识1. 催化剂的分类和性质：介绍催化剂的分类方法，如金属催化剂、氧化物催化剂、酸碱催化剂等，并对不同催化剂的性质进行详细介绍，如表面活性、酸碱性质、热稳定性等。

2. 催化反应的基本原理：讲解催化反应的基本原理，包括活化能、反应速率、平衡常数等概念，并介绍催化剂对反应速率的影响。

3. 催化反应的机理：以几个典型的催化反应为例，详细介绍其反应机理，包括吸附、解离、表面扩散等过程，并探讨催化剂的作用机制。

三、催化剂的合成与表征1. 催化剂的合成方法：介绍常见的催化剂合成方法，如沉淀法、共沉淀法、浸渍法等，并对不同方法的优缺点进行比较。

2. 催化剂的物理化学表征：讲解常见的催化剂表征方法，如X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等，并探讨表征结果与催化性能之间的关系。

四、催化反应的工艺优化1. 反应条件的选择：介绍反应温度、压力、反应物浓度等反应条件对催化反应的影响，并讲解如何选择适当的反应条件以提高反应效率。

2. 催化剂的再生与寿命：探讨催化剂的失活原因，如积碳、毒化等，并介绍常见的催化剂再生方法，如焙烧、还原等。

3. 催化反应的过程控制：讲解如何通过反应器的设计和操作来实现对催化反应过程的控制，以提高反应的选择性和产率。

五、工业催化的应用1. 石油化工领域的应用：介绍工业催化在石油炼制、石化合成等领域的应用，如催化裂化、催化重整、催化加氢等。

《工业催化》课程教学大纲工业催化第一章催化作用与催化剂基础第一节催化作用的定义与特征一、定义二、特征1、只能加速热力学上可行的反应2、只加速反应趋于平衡，而不改变平衡的位置3、通过改变反应历程改变反应速度4、降低反应活化能5、催化剂对反应具有选择性6、催化剂的寿命三、其他基本概念第二节对工业催化剂的要求一、估量一个催化剂价值的四个重要因素二、催化剂的工业性能第三节催化剂的组成与功能一、催化剂成分（固体Cat）二、活性组分1、主剂成分2、按活性组分作用分类3、按导电性分三、载体1、定义2、分类3、载体催化剂命名4、催化剂载体功能四、助催化剂1、帮助载体2、帮助活性组分3、一些主要过程常用助Cat和其功能4、存在的最适宜含量第四节催化体系分类一、相的均一性分类二、作用机理分类三、按反应类别分类第二章催化剂中的吸附作用第一节多相催化的反应过程一、多相催化反应步骤二、外扩散与外扩散系数 DE1、外扩散2、外扩散速率影响因数三、内扩散与内扩散系数 DI1、内扩散2、内扩散的三种类型第二节固体表面结构一、几个概念二、晶体表面的晶面1、晶体2、金属晶体的三种典型结构3、晶格、晶面4、暴露晶面的影响因数三、晶体的不完整性1、固体中缺陷分类2、点缺陷3、线缺陷4、结晶剪切5、堆垛层错与颗粒边界四、晶体表面与体相比较1、合金表面组成2、晶体表面结构3、氧化物表面组成五、晶体表面能量的不均匀性1、原子水平的团体不均匀2、表面力的差别六、晶体的不完整性与催化作用1、不完整性关联到表面催化活性中心2、表面结构与所处气氛有关3、表面组成与反应混合物组成有关第三节分子在固体表面的吸附一、物理吸附与化学吸附1、定义2、物理吸附与化学吸附的区别3、化学吸附与催化二、吸附质的可动性1、吸附质点的两种平均寿命2、定位吸附与非定位吸附3、固体Xe上吸附惰性气体的表面势能三、吸附的位能曲线1、气体分子撞击晶面情况2、吸附位能曲线3、过渡态4、物理吸附价值5、双原子分子另一种吸附情况四、化学吸附的类型1、离解吸附和不离解化学吸附2、均裂离解吸附和非均裂离解吸附3、离解化学吸附的氧化与还原4、非离解化学吸附下氧化与还原5、三种化学吸附键第四节晶体的电子结构一、分子轨道理论和固体能带模型1、原子轨道近似，相对能量和形状2、分子轨道理论3、能带的形成（固体）4、能带结构5、能级的密度6、能带结构理论说明7、物质按能带结构分类8、固体按导电性分类二、配位场模型1、配位场效应2、 d 轨道取向性3、3、实例三、价键理论—金属键的d%1、电子配对理论2、金属价键理论3、d 特性%第三章各类催化剂及催化作用第一节金属催化剂及催化作用一、金属催化剂1、种类2、用途3、特征二、金属催化剂的化学吸附1、气体在不同金属上化学吸附热变化2、气体在金属上化学吸附强度顺序3、金属按其对气体分子化学吸附的能力分类三、金属催化剂化学吸附的状态1、金属催化剂的电子逸出功φ2、反应物粒子的电势 I3、吸附状态四、化学吸附中的几何因素1、几何因素对活性影响2、理论五、吸附与催化——火山型原理1、火山型原理2、火山曲线3、实例六、一些气体的化学吸附态1、氢的吸附2、氧的吸附态2、氮的吸附态3、CO的吸附态5、烃类的吸附态6、乙炔7、苯8、饱和烃第二节固体酸碱催化剂一、定义、分类1、定义Brφnsted 和Lewis 定义2、分类二、机理1、金属氧化物2、混合金属氧化物3、影响酸位和碱位的因数三、固体表面酸、碱性测定1、酸位的类型及鉴定2、固体酸强度和酸量3、固体碱强度与碱量4、酸—碱对协同位5、固体超强酸、超强碱四、固体酸、碱催化作用1、酸位的性质与催化作用关系2、酸强度与催化活性和选择性关系3、酸量与催化剂活性关系4、正碳离子的形成及反应规律5、固体碱催化剂第三节分子筛催化剂一、概述1、沸石：2、沸石特点：3、沸石存在形式4、分类5、分子筛二、发展史1、五十年代——沸石2、六十年代——人工合成工业催化剂3、七十年代——工艺路线、产品质量改进4、八十年代——AlPO4磷酸铝分子筛5、九十年代以来三、分子筛沸石的结构特点1、基本结构单元2、环结构3、笼结构4、分子筛结构四、沸石分子筛的酸、碱催化性能及其调变1、酸中心的形成与本征催化性能2、沸石分子筛酸性调变五、分子筛择型催化性质1、反应物择型催化2、产物择型催化3、过渡状态限制择形催化剂4、分子交通控制的择型催化六、沸石分子筛催化剂碱催化和酸、碱协同催化作用七、新型磷酸铝分子筛 AlPO4第四章催化剂设计与制备第一节催化剂的分子设计基础一、催化剂分子设计的理论与实验1、理论2、实验二、催化剂分子设计的特点第二节催化剂分子设计方法一、催化剂设计方法分类1、传统经验法2、定性催化剂设计方法3、数学模型模拟辅助催化剂设计4、电子计算机辅助催化剂设计二、催化剂分子设计方法1.程序框图2.组分筛选3.热力学可行性分析4.催化剂原料的确定三、催化剂类别第三节工业催化剂的制备原理一、沉淀法1、沉淀过程和沉淀剂的选择2、影响沉淀的因素3、沉淀法类型4、典型沉淀法生产工艺二、浸渍法1、载体的选择和浸渍液的配制2、活性组分在载体上的分布与控制3、浸渍法分类4、工艺三、离子交换法1、无机离子交换剂制备（分子筛）2、有机离子交换剂制备（离子交换树脂）四、共混法五、固体催化剂的成型1、形状及使用性能六、干燥与焙烧1、干燥2、焙烧第三节常用催化剂的制备工艺一、活性氧化铝的制备（沉淀法）1、酸法沉淀工艺2、影响因素二、新型甲醇酮系催化剂制备（分步沉淀）1、目前使用工业催化剂（生产甲醇）2、新型合成甲醇铜素催化剂三、负载型镍催化剂的制备（浸渍沉淀法）1、浸渍沉淀的制备流程2、影响因素四、分子筛的合成（导晶沉淀法）1、高硅钠型分子筛原粉2、最佳原料配比第五节催化剂制备技术的新进展一、微乳化技术与催化剂二、稀土元素与催化剂三、纳米技术与催化剂四、超临界技术五、膜技术与催化剂六、绿色化学化工及环境友好催化剂。

一、背景20 世纪, 催化剂的应用对发展农业、工业和提高人民的生活水平, 都起到了巨大作用。

21 世纪的化工过程主要发展趋势为: 原料的最优开发,过程能耗的降低和环境友好。

实现这些目标的关键是新的催化剂及其催化过程的开发。

固体酸催化剂廉价易得、不污染环境、容易回收并可重复利用、催化反应条件温和、收率和选择性高、后处理简便，近年来，固体酸作为有效的催化剂被广泛应用于有机反应。

固体酸催化剂的许多独到之处，是液体催化剂不能代替的. 目前生物柴油的工业化生产中普遍使用的是NaOH 、H 2SO 4等均相酸碱催化剂，该催化剂廉价且催化活性较高，但在使用中存在后处理工艺复杂，废液易对环境造成污染弊端，酸性催化剂还会对设备造成严重的腐蚀等。

而非均相催化剂比均相催化剂更具优势，容易从产物中分离，不会造成酸性废水污染，对环境污染小。

在当今提倡绿色革命的大前提下，固体催化剂无疑受到更多的关注。

固体碱为催化剂时，形成大量的皂化物使产品乳化难于分离，造成成本上升。

因此固体酸催化剂是制备生物柴油的一种更好的选择。

固体酸催化剂的催化性能主要取决于其化学组成和物理结构，对其催化性能的表征主要有胺滴定法、IR 法、NMR 法、TPD 法及热分析法，关于这几种方法的对照列表如下：炭基固体酸是最近几年研究比较多的固体酸催化剂，它首先是由日本Hara小组研究的，他们利用糖，蔗糖，淀粉首先碳化再磺化，即把糖在氮气流下高温碳化，然后在氮气流下磺化，得到含有高密度磺酸基的新型活性炭，此新型固体酸可以重复利用，活性部位基本上没有损失，原料来源简单，便宜，因此这种炭基固体酸的发明无疑是一个重大的进步。

现以活性炭为原料，采用浓硫酸磺化法和重氮盐还原法制备炭基固体酸催化剂为例，用短链乙酸和长链油酸与乙醇的酯化反应来考察固体酸催化剂的活性。

XRD,EA,BET,SEM,TGA,IR对煤基活性炭和以煤基活性炭制备的炭基固体酸做表征。

以此来看看现在新型的固体酸催化剂---碳基固体酸催化剂的简单性能及应用。