《工业催化基础》课件(2011)-1

沸石
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第一节 工业催化在国计民生中的作用
工业化年份 过程或催化剂 产品或用途 催化剂主要成分
1964 1970 1976 1978 1986 1986 1990 1990
烃类加氢脱硫 甲醇低压合成 NOx 加氢还原 甲醇羰基化 特种立构合成 NOx 加氨还原 催化燃烧 茂金属催化聚合
脱硫净化 CH3OH 环境保护 醋酸 药物 环u-Zn/Al2O3 贵金属 RhI2(CO)2 络合催化剂 V2O5-TiO2 Pd,Pt,Rh/SiO2 茂锆等
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第二节 基本概念和常用术语
一、催化剂和催化作用： 催化剂和催化作用： 何谓催化剂？先看一个例子：通常情况下， 何谓催化剂？先看一个例子：通常情况下，将N2分子和 H2分子混合在一个惰性的容器中。即使在 分子混合在一个惰性的容器中。即使在500℃下，也几乎 ℃ 检测不到NH3的生成。虽然 2分子和 2分子化合生成 的生成。虽然N 分子和H 分子化合生成NH3是 检测不到 一个热力学允许的可逆放热反应： 一个热力学允许的可逆放热反应： N2+3H2 ⇌ NH3 ∆H 500 C＝－ ＝－109 kJ/mol
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第二节 基本概念和常用术语
合成材料：合成树脂，合成纤维，合成橡胶这三大合成材料的 合成材料：合成树脂，合成纤维，
生产过程中， 生产过程中，催化剂起着关键的作用 • 在聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等的生产，以及高分子单 在聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚酯等的生产， 体的生产过程中都要使用多种催化剂； 体的生产过程中都要使用多种催化剂； • 在合成纤维工业中，涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维的生 在合成纤维工业中，涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯） 产需要甲苯歧化，二甲苯异构化，对二甲苯氧化， 产需要甲苯歧化，二甲苯异构化，对二甲苯氧化，对苯二甲酸酯 乙烯氧化制环氧乙烷，对苯二甲酸与乙二醇缩聚等多个过程。 化，乙烯氧化制环氧乙烷，对苯二甲酸与乙二醇缩聚等多个过程。 其中每一过程都要使用催化剂；在腈纶（聚丙烯腈）纤维的生产 其中每一过程都要使用催化剂；在腈纶（聚丙烯腈） 要用到丙烯氨氧化等多种催化剂；在维伦（聚乙烯醇） 中，要用到丙烯氨氧化等多种催化剂；在维伦（聚乙烯醇）纤维 生产中，无论是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯， 生产中，无论是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯，均是催化剂参 与的催化过程； 与的催化过程； • 在合成橡胶工业中，丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶，乙丙橡 在合成橡胶工业中，丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶， 胶等主要品种的生产中都要使用催化剂。一些单体的生产， 胶等主要品种的生产中都要使用催化剂。一些单体的生产，为丁 烯氧化脱氢制丁二烯，苯烷基化制乙苯。乙苯脱氢制苯乙烯， 烯氧化脱氢制丁二烯，苯烷基化制乙苯。乙苯脱氢制苯乙烯，异 戊烷制异戊二烯等也都需要催化剂。 戊烷制异戊二烯等也都需要催化剂。
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第二节 基本概念和常用术语 细精化工： 细精化工 ： 细精化工是指对基本化学工业生产 的初级或次级化学品进行深加工， 的初级或次级化学品进行深加工 ，特别具有特 定功能， 定功能， 特定用途且附加值高的化工产品的化 工过程。涉汲到氧化反应，还原反应， 工过程。涉汲到氧化反应 ，还原反应 ， 碳链增 减反应，重排反应，杂环合成反应， 减反应， 重排反应 ，杂环合成反应， 不对称合 成工艺等。广泛使用酸碱催化剂， 成工艺等 。 广泛使用酸碱催化剂 ，超强酸碱催 化剂，分子筛择形催化剂， 化剂 ，分子筛择形催化剂 ，金属化合物和配合 物催化剂，手性催化剂，相转移催化剂等。 物催化剂，手性催化剂，相转移催化剂等。
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但如果在N 分子和H 分子混合气体的体系中有少量Fe存在 存在, 但如果在 2 分子和 2 分子混合气体的体系中有少量 存在 就会有NH3生成，其中 称为催化剂，对NH3的生成起着关 生成，其中Fe称为催化剂 称为催化剂， 就会有 键的作用。 键的作用。
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第二节 基本概念和常用术语
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第二节 基本概念和常用术语 石油化工： 石油化工：石油化工是指一切以石油烃为原料生 产各种化工产品的催化过程。包括一些基本有机 产各种化工产品的催化过程。 化工原料合成的催化过程。 化工原料合成的催化过程。能用的催化剂种类很 多。一些重要的催化过程有：催化加氢与脱氢； 一些重要的催化过程有：催化加氢与脱氢； 催化水合与脱水；烃类的异构和芳构； 催化水合与脱水；烃类的异构和芳构；芳烃烷基 歧化及烷基转移；烯烃二聚及齐聚等。 化，歧化及烷基转移；烯烃二聚及齐聚等。
第一章 工业催化的基本概念 主要内容： 主要内容：
• 工业催化在国计民生中的作用； 工业催化在国计民生中的作用； • 工业催化的基本概念和常用术语
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第一节 工业催化在国计民生中的作用
一、催化剂－现代化学工业的基石 催化剂－ 90％以上的化工产品是借助催化剂生产出的，没 ％以上的化工产品是借助催化剂生产出的， 有催化剂，就不可能建立现代化学工业。 有催化剂，就不可能建立现代化学工业。 如： 无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产。 无机化学工业中的合成氨 、 硝酸 、 硫酸等的生产 。 石油加工中的催化裂化、催化重整等过程。 石油加工中的催化裂化、催化重整等过程。 石油化工中醇、 酯的生产。 石油化工中醇、醛、酸、酯的生产。 三大合成高分子材料的生产。 三大合成高分子材料的生产。 煤化工与天然气化工过程。 煤化工与天然气化工过程。 生物化工中的酶催化过程。 生物化工中的酶催化过程。 环保催化过程等。 环保催化过程等。
SO2 空气氧化 N2+H2→合成氨 NH3 氧化 石油催化裂化 乙烯聚合
Ficher-Tropsch 合成 （CO+H2→烃）燃料 Fe,Co,Ni 石脑油催化重整 乙烯聚合 丙烯聚合
分子筛催化裂化
高辛烷值汽油 高密度聚乙烯 等规聚丙烯
汽油
Pt/Al2O3 TiCl4-Al(C2H5)3 TiCl4-Al(C2H5)3
因为： 因为：
如果没有催化剂， 分子和H 如果没有催化剂 ， N2 分子和 2 分子化合生成 NH3是一个均相的化学反应过程 。即要经过 2 是一个均相的化学反应过程。即要经过N 分子的N－ 键和 分子的H－ 键断裂和 键和H 键断裂和NH3 分子的 －N键和 2分子的 －H键断裂和 分子N－ 键的形成 键的形成。 分子 －H键的形成。 由于N 分子和H 分子的键能很高，都非常稳定。 由于 2分子和 2分子的键能很高，都非常稳定。 因此N 分子和H 分子经均相化学反应合成NH3 因此 2分子和 2分子经均相化学反应合成 需要很大的能量，即反应的活化能很高。 需要很大的能量，即反应的活化能很高。 在500℃，常压条件下活化能为 ℃ 常压条件下活化能为334.6 kJ/mol， ， 在这种情况下，氨合成的反应极慢， 在这种情况下，氨合成的反应极慢，以致生成 氨的量甚微，常规方法都难以测出。 氨的量甚微，常规方法都难以测出。
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第二节 基本概念和常用术语 二、催化剂的基本特征： 催化剂的基本特征： 1、催化剂只能加速热力学可行的反应，不能实 、催化剂只能加速热力学可行的反应， 现热力学不可能的反应； 现热力学不可能的反应； 2、催化剂只能改变化学反应的速度，不能改变 、催化剂只能改变化学反应的速度， 化学平衡的位置； 化学平衡的位置； 3、催化剂能降低反应的活化能，改变反应的历 、催化剂能降低反应的活化能， 程； 4、催化剂对反应具有选择性。 、催化剂对反应具有选择性。
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第二节 基本概念和常用术语
碳一化学： 碳一（ ） 碳一化学 ： 碳一 （ C1） 化学主要研究含一个碳原子的 化合物，如甲烷，甲醇， 化合物 ， 如甲烷 ， 甲醇 ， CO，CO2 ， HCN等参与的化 ， 等参与的化 学反应。 目前已可按C1化学的路线 化学的路线， 学反应 。 目前已可按 化学的路线 ， 从煤和无燃气出 发，生产出新型的合成燃料，以及乙烯，丙烯，芳烃等 生产出新型的合成燃料，以及乙烯，丙烯， 重要的起始化工原料。而这些新工艺的开发，首先要解 重要的起始化工原料。而这些新工艺的开发， 决催化剂这一关键问题。 特别是煤经合成气（ 决催化剂这一关键问题 。 特别是煤经合成气 （ CO+H2 ） 制甲醇， 合成制汽油， 制甲醇，由F-T合成制汽油，柴油，甲醇催化转化制乙 合成制汽油 柴油， 烯，丙烯等可大大缓解对石油的消耗，对可持续发展有 丙烯等可大大缓解对石油的消耗， 重要的意义。 重要的意义。
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第二节 基本概念和常用术语
三、催化剂的重要应用领域： 催化剂的重要应用领域：
石油炼制： 石油炼制：石油炼制是指对不同沸释的石油馏分 经催化转化成各种燃料油，润滑基础油， 经催化转化成各种燃料油，润滑基础油，化工原 料的过程。这是催化剂最重要的应用领域。 料的过程。这是催化剂最重要的应用领域。使用 的催化剂包括各种固体酸，分子筛，负载型金属 的催化剂包括各种固体酸，分子筛， 催化剂等；催化剂反应过程要有催化裂化， 催化剂等；催化剂反应过程要有催化裂化，催化 重整，催化加氢处理等。 重整，催化加氢处理等。化工反应工艺则有固定 流化床、提升管催化裂化、铂重整、 床、流化床、提升管催化裂化、铂重整、连续移 动床低压铂重整、常压渣油催化裂化等。 动床低压铂重整、常压渣油催化裂化等。
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第一节 工业催化在国计民生中的作用
二、二十世纪工业催化的一些重大发明
工业化年份 过程或催化剂 1900 1913 1915 1936 1937 1938 1949 1953 1954
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产品或用途 H2SO4 NH3 HNO3 汽油等 低密度聚乙烯