第二章 工业催化剂的设计-2

催化作用原理《催化作用基础》课程名称：《催化作用基础》或《催化作用原理》或《催化剂与催化作用》绪论第一章催化剂与催化作用的基本知识第二章催化剂的吸附、表面积和孔结构第三章金属催化剂及其催化作用第四章半导体催化剂及其催化作用第五章酸碱催化剂及其催化作用第六章配位络合物催化剂及其催化作用第七章催化剂的评价及失活与再生第八章催化剂的设计和制备专题讲座： 1. 择形催化与高选择性催化分子筛材料2. 芳胺N-烷基化反应及其催化剂研究3. 钛硅（TS-1）分子筛的合成及催化应用4. 催化新材料：MCM-41等#现代物理测试手段与催化剂的表征：XRD，SEM，IR，NMR，UV-Vis，UV-Raman，NH3-TPD等——催化剂及其催化作用的基础研究参考书目1.王桂茹主编，王祥生审，《催化剂与催化作用》,2000年8月第1版大连理工大学出版社出版[王桂茹，李书纹编（大连工学院石油化工教研室）（讲义） 1986年] 2.吉林大学化学系《催化作用基础》编写组编，《催化作用基础》 1980年科学出版社出版3.黄开辉，万惠霖编（厦门大学化学系），《催化原理》 1983年科学出版社出版4.顾伯锷，吴震霄编，《工业催化过程导论》 1990年高等教育出版社出版5.王文兴编，《工业催化》 1982年化学工业出版社出版6.闵恩泽著，《工业催化剂的研制与开发——我的实践与探索》，1997年中国石化出版社出版7.陈连璋编著，《沸石分子筛催化》 1990年大连理工大学出版社出版8.徐如人，庞文琴，屠昆岗等著，《沸石分子筛的结构与合成》1987年吉林大学出版社出版9.天津大学编，〈〈多相催化作用原理〉〉10.高滋主编，何鸣元，戴逸云副主编，《沸石催化与分离技术》，中国石化出版社，1999年11月第1版；* 讲述内容；学习方法：学什么？怎么学？绪论一.催化剂与催化作用的重要性1.使用催化剂的工业部门现代化学工业、石油炼制、石油化学工业、食品工业、环境保护等2.没有现代催化科学的发展和催化剂的广泛使用就没有现代化的化学工业。

工业催化剂的开发与应用第一章：催化剂的概述催化剂是化学反应中的一种特殊物质，它不参与反应本身，但能够显著地促进反应速率，提高反应的选择性和效率。

催化剂在工业生产中应用广泛，能够实现废液处理、能源转化、有机合成、材料制备等多种目的。

催化剂分类:催化剂按照其组成结构可分为单质催化剂、化合物催化剂和生物催化剂。

按照反应类型可分为氧化还原催化剂、酸碱催化剂、酶催化剂等。

第二章：催化剂的开发工业催化剂的开发和研究涉及到多个领域，包括化学合成、物理化学、工程学、光电学等。

催化剂的开发有以下几个步骤：1.催化剂的配方设计催化剂的配方设计是催化剂开发的第一步，它涉及到选择合适的催化剂成分、载体、添加剂等，并进行充分的测试和优化。

2.预处理和制备在催化剂的制备过程中，预处理和制备是很关键的一步。

预处理可以去除不必要的杂质和保留有效成分，而制备则包括沉积、烘干、焙烧等步骤。

3.表征和测试表征和测试是催化剂开发的重要环节，它可以确认催化剂的成分和结构特点，并评估其反应性能。

第三章：工业催化剂的应用1.石化工业催化剂在石化工业中得到广泛应用，它能够加速反应速率，改善产物质量，节省生产成本。

在炼油过程中，催化剂可以帮助将低价石油转化为高价产品，如汽油、柴油等。

2.环保领域工业催化剂可以在环保领域应用，它主要涉及到大气污染、水处理等方面。

催化剂能够加速废气中的有害物质转化为无害或低害物质，减少污染物排放。

3.制药领域工业催化剂可以用于制药领域，主要是合成药物过程中的中间体或原料的合成。

通过催化转化反应，提高药物的纯度和选择性，降低药品的成本。

第四章：催化剂的研究进展1.纳米催化剂技术纳米催化剂技术是催化剂研究的热点方向之一，其主要成分是纳米粒子。

纳米催化剂相对于传统催化剂具有更大的比表面积和较强的化学活性，因此在能源转化、环保、生物技术等方面具有广泛的应用前景。

2.光催化剂技术在光催化剂技术中，光照可以激活催化剂表面的活性中心，在光催化反应中发挥重要作用。

《催化材料及催化剂工程a》教学大纲课程编号：1032650总学时：32H（理论教学32H）学分：2基本面向：生物工程、制药工程、化学工程与工艺专业一、本课程的目的、性质及任务本课程属工程学科，是化工类及相近专业的选修课。

通过本课程的学习使同学们系统地掌握工业催化剂的基本概念、基本制造方法、性能的评价、测试和表征手段，了解工业催化剂的开发过程、制备设计和操作设计，为学生今后的科研和开发打下良好的基础。

二、本课程的基本要求1、掌握工业催化剂的基本概念、基本制造方法、性能的评价、测试和表征手段；2、了解工业催化剂的开发过程、制备设计和操作设计。

三、本课程与其它课程的关系先修课程：《物理化学》、《有机化学》、《无机化学》、《化工原理》等。

四、本课程的教学内容第一章工业催化剂概述（一）催化剂在国计民生中的作用（二）催化若干术语和基本概念第二章工业催化剂的制造方法（一）沉淀法、浸渍法、混合法、热融融法、离子交换法（二）催化剂的成型（三）典型工业催化剂制备方法实例（四）固体催化剂制备方法的新进展第三章催化剂性能的评价、测试和表征（一）概述（二）活性评价和动力学研究（三）催化剂的宏观物理性质测定（四）催化剂微观（本体）性质的测定和表征第四章工业催化剂的开发（一）概述（二）实验室工作（三）扩大实验（四）新型催化剂的工业生产、试用和换代开发第五章工业催化剂的制备设计（一）催化剂及其设计的理论概观（二）催化剂设计的一般程序（三）组分设计与验证性筛选（四）热力学分析与反应通道的设计（五）化学反应的机理研究与催化剂设计（六）催化剂原材料的选择（七）电子计算机辅助催化剂制备设计第六章工业催化剂的操作设计（一）操作设计概念（二）一般操作经验（三）使用技术中的若干选择与优化问题（四）电子计算机辅助催化剂操作设计五、学时分配本课程采用课堂教学，提倡启发式、讨论式教学组织实施，以充分调动学生的主观能动性和积极参与精神，提高教学质量和教学效果。

催化剂工程导论 - 大纲及思考题答案催化剂课程教学内容及教学基本要求第一章工业催化剂概述本章重点催化若干术语和基本概念，难点催化剂的化学组成和物理结构。

第一节催化剂在国计民生中的作用本节要求了解催化剂在国计民生中的作用(考核概率5%)。

1 催化剂―化学工业的基石2 合成氨及合成甲醇催化剂3 催化剂与石油炼制及合成燃料工业4 基础无机化学工业用催化剂5 基本有机合成工业用催化剂6 三大合成材料工业用催化剂7 精细化工及专用化学品中的催化8 催化剂在生物化学工业中的应用9 催化剂在环境化学工业中的应用第二节催化若干术语和基本概念本节要求理解催化若干术语和基本概念(考核概率90%)，掌握催化剂的化学组成和物理结构(考核概率95%)。

1 催化剂和催化作用 2 催化剂的基本特征 3 催化剂的分类4 催化剂的化学组成和物理结构5 多相和均相催化剂的功能特点6 多相和均相催化剂的同一性7 新型催化剂展望第二章工业催化剂的制造方法本章重点是沉淀法和浸渍法，难点是催化剂的制备原理和技术要点。

第一节沉淀法本节要求理解沉淀法的分类(考核概率60%)，掌握沉淀操作的原理和技术要点(考核概率80%)，了解沉淀法催化剂制备实例(考核概率20%)。

1 沉淀法的分类2 沉淀操作的原理和技术要点3 沉淀法催化剂制备实例第二节浸渍法本节要求掌握各类浸渍法的原理和操作(考核概率80%)，了解浸渍法催化剂制备实例(考核概率20%)。

1 各类浸渍法的原理及操作 2 浸渍法催化剂制备实例第三节混合法本节要求了解混合法制备催化剂（考核概率20%）第四节热熔融法本节要求了解热熔融法制备催化剂（考核概率20%）第五节离子交换法本节要求理解由无机离子交换剂制备催化剂，由离子交换树脂制备催化剂（考核概率40%）。

1 由无机离子交换剂制备催化剂。

2 由离子交换树脂制备催化剂。

第六节催化剂的成型本节要求了解催化剂成型工艺，几种重要的成型方法（考核概率20%）。

第二章催化剂：一种能够与反应物相互作用，加速反应的速率而不改变反应的标准吉布斯自由焓变,且反应终结时本身保持不变的化学物质。

催化剂的特征: 特征1：催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学无法进行的反应。

特征2：催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变平衡位置。

特征3：催化剂对反应具有选择性。

4：催化剂的寿命。

催化剂的组成：主催化剂、共催化剂、助催化剂（结构型助催化剂、电子型助催化剂）、载体结构型助催化剂：1、主要作用是提高活性组分的分散性和热稳定性。

使活性组分的细小晶粒间隔开来，不易烧结；与活性组分形成固熔体而达到热稳定，提高活性。

2、能起结构稳定作用的助催化剂，多为熔点较高、难还原的金属氧化物。

电子型助催化剂：1、作用是调整催化剂主要活性组分的电子结构、表面性质或晶形结构，从而提高催化剂的活性和选择性。

2、电子型助催化剂能使催化反应活化能降低。

电子和晶格缺陷两类助催化剂又合称调变性助催化剂。

载体的作用: 分散作用、稳定化作用、支撑作用、传热作用、助催化作用初级粒子，其尺寸多为埃级（10-10m），其内部为紧密结合的原始粒子;次级粒子，大小为微米级（10-6m），是由初级粒子以较弱的附着力聚集而成的。

催化剂颗粒是由次级粒子构成的（毫米级，10-3 m）对工业催化剂的要求：1、工业催化剂应具有适宜的活性、高选择性和长寿命。

2、工业催化剂的活性、选择性和寿命除决定于催化剂的组成结构外，与操作条件也有很大关系（包括原料的纯度、生产负荷、操作温度和压力等）。

3、催化剂的价格也需要考虑。

活性：衡量催化剂效能大小，表示催化剂加快化学反应速率程度的一种度量。

时空产率：指在一定条件（温度、压力、进料组成、空速）下，单位时间内，使用单位体积或单位质量的催化剂所能得到目的产物的量（摩尔数NB、或质量）来表示。

比活性：对于固体催化剂，与催化剂单位表面积相对应的活性称为比活性（α）。

α=k/S；k--催化反应速度常数；S---活性比表面积。

第一章催化剂根本知识1、名词解释（1）活性：催化剂使原料转化的速率，工业生产上常以每单位容积(或质量)催化剂在单位时间内转化原料反响物的数量来表示，如每立方米催化剂在每小时内能使原料转化的千克数。

（2）选择性：目的产物在总产物中的比例，实质上是反响系统中目的反响与副反响间反响速度竞争的表现。

（3）寿命：指催化剂的有效使用期限。

（4）均相催化反响：催化剂与反响物同处于一均匀物相中的催化作用。

（5）氧化复原型机理的催化反响：催化剂与反响物分子间发生单个电子的转移，从而形成活性物种。

（6）络合催化机理的反响：反响物分子与催化剂间配位作用而使反响物分子活化。

（7）〔额外补充〕什么是络合催化剂？答：一般是过渡金属络合物、过渡金属有机化合物。

（8）反响途径：反响物发生化学反响生成产物的路径。

（9）催化循环：催化剂参与了反响过程，但经历了几个反响组成的循环过程后，催化剂又恢复到初始态，反响物变成产物，此循环过程为催化循环。

（10）线速度：反响气体在反响条件下，通过催化床层自由体积的的速率。

（11）空白试验：在反响条件下，不填充催化床，通入原料气，检查有无壁效应，是否存在非催化反响。

（12）催化剂颗粒的等价直径：催化剂颗粒是不规那么的，如果把催化剂颗粒等效成球体，那么该球体的直径就是等价直径。

（13）接触时间：在反响条件下的反响气体，通过催化剂层中的自由空间所需要的时间。

（14）初级离子：内部具有严密构造的原始粒子。

（15）次级粒子：初级粒子以较弱的附着力聚集而成-----造成固体催化剂的细孔。

2.表达催化作用的根本特征，并说明催化剂参加反响后为什么会改变反响速度？①催化剂只能加速热力学上可以进展的反响，而不能加速热力学上无法进展的反响。

②催化剂只能加速反响趋于平衡，而不能改变平衡的位置〔平衡常数〕。

③催化剂对反响具有选择性。

④催化剂的寿命。

催化剂之所以能够加速化学反响趋于热力学平衡点，是由于它为反响物分子提供了一条轻易进展的反响途径。