工业催化课件 -多相催化中的传质与吸附
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工业催化基础讲义最新课件
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化工资源有效利用国家重点实验室
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第二节 浸渍法
一、浸渍法的工艺流程
催化剂载体
催化剂活性组分浸渍
干燥
焙烧
负载型催化剂
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第二节 浸渍法
二、各种浸渍法
1、等体积浸渍法： 本法是将多孔载体与它正好可吸附体积的浸
渍液相浸渍，由于浸渍溶液的体积与载体的微 孔体积相当，浸渍后浸渍溶液恰好浸渍载体而 无过剩，无需过滤等单元操作。等体积浸渍法 制备催化剂时，能精确调节负载量。
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第一节 沉淀法
（4）溶液的加料方式和搅拌强度
在沉淀过程中，待沉淀溶液和沉淀剂溶液加料的先后次 序对沉淀物也有一定的影响。如硝酸盐加碱沉淀时，先预 热硝酸盐到沉淀温度后逐渐加入到碱中，或先预热碱后逐 渐加入到硝酸盐中，或硝酸盐和碱分别预热后同时加入沉 淀槽中。沉淀时的局部pH值是有差别的，因此沉淀物的性 质也会有一定的差异。对于一个具体的沉淀反应，最后的 加料方式将会由催化剂的性质来确定。
为50-60℃的蒸馏水，洗涤至不显SO42-为止。洗净的沉淀转入 pH值为9.5-10.5.温度为60℃左右的氨水溶液中静置陈化4h，陈 化后沉淀物又重复过滤。洗涤至溶液的比电阻超过200Ω/cm， 将沉淀物与100-110℃温度下干燥，制得半结晶状的假-水软铝石 （ρ- Al2O3﹒nH2O）.最后在500℃焙烧6h，即可制得γ-Al2O3。
法，其沉淀物只有一个组分，因此，沉淀操作和过程控制相对 比较简单，是制备单组分催化剂或催化剂载体常用的方法。 如
以碱为沉淀剂，从酸化铝盐溶液中沉淀水合氧化铝，反应式如 下：
《工业催化精品课件》催化三.四
指催化剂能够加速化学反应的能力，通常用催化活度表示。
指催化剂在反应中能够促进特定化学反应的进行，而不影响其 他反应的能力。
指催化剂在反应条件下能够保持活性、稳定性的能力，包括热 稳定性、化学稳定性和机械稳定性等。
指催化剂的制备方法和原料是否易于获取，以及生产成本的高 低。
催化剂的制备方法
01
物理混合法
选择合适的催化剂
根据不同的工业催化过程，选择具有高活性、 高选择性、长寿命的催化剂。
优化反应条件
通过调整温度、压力、空速等反应条件，提 高工业催化过程的效率和产物质量。
改进工艺流程
通过对工业催化过程的工艺流程进行改进， 降低能耗和物耗，提高生产效率。
加强催化剂再生与循环利用
对失效的催化剂进行再生或循环利用，降低 生产成本并减少环境污染。
工业催化精品课件：催化三.四
目录
• 工业催化的定义与重要性 • 催化反应的原理与类型 • 催化剂的种类与特性 • 工业催化过程与设备 • 工业催化的未来发展与挑战
01
工业催化的定义与重要性
工业催化的定义
工业催化是指通过催化剂的作 用，加快化学反应速率，促进 物质转化的过程。
催化剂是一种能够改变化学反 应速率但不改变反应总热力学 平衡的物质。
在催化剂的作用下，重质烃类在高温下 发生裂解反应，生成轻质油品和裂化气。
烷基化
在催化剂的作用下，烷烃与烯烃发生 反应，生成异构烷烃和烷基化油。
催化重整
在催化剂的作用下，将低辛烷值的直 馏汽油转化为高辛烷值的汽油和苯、 甲苯等芳烃。
合成氨
在催化剂的作用下，氮气和氢气反应 生成氨。
工业催化设备
固定床反应器
工业催化过程通常涉及化工、 石油、环保等领域，是实现物 质转化和利用的重要手段。
催化剂培训材料培训课件PPT工业催化剂制备与使用
– 若晶核长大速率大大超过晶核生成速率，溶液中最 初形成的晶核不是很多，较多的离子以晶核为中心， 依次排列长大而生成颗粒较大的晶型沉淀。
• 对沉淀剂选择有以下要求：
① 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂
– 常用的沉淀剂有：
• 碱类(NH4OH、NaOH、KOH) • 碳酸盐[(NH4)2CO4、Na2CO4、CO2] • 有机酸(乙酸、草酸)等 • 最常用的是NH4OH和(NH4)2CO4，因为铵盐在洗涤和热处
涤、干燥、粉碎和机 械成型，最后经500℃ 焙烧活化得到 γ-Al2O3。
– 该法生产设备简单、 原料易得且产品质量 稳定。
② 碱中和法
• 将铝盐溶液[Al(NO3)3、AlCl3、 Al2(SO4)3等]用氨水或其它碱 液( NaOH、KOH、NH4OH ) 中和，得到水合氧化铝：
Al3+ + OH－ ==== Al2O3·nH2O↓
易洗涤。
④ 形成沉淀物的溶解度应小些
– 沉淀反应愈完全、原料消耗愈小;
• 对于贵金属尤为重要。
⑤ 无毒
– 不应使催化剂中毒或造成环境污染。
• 对金属盐类选择有以下要求：
– 一般选用硝酸盐的形式提供金属盐，硝酸根易于洗 脱或加热时分解而无残留。
– 而氯化物或硫化物残留在催化剂中，在使用时会呈 现H2S或HCl形式释放出来，致使催化剂中毒。
1、载体选择
• 浸渍法首先要选择合适载体，根据用途可选择 – 粉末状载体 – 成型载体
• 根据反应类型特点选择不同性质的载体
– 外扩散控制
不需比表面较大的载体；
– 内扩散控制
载体孔径不宜过小；
• 阻挡反应物分子进入孔道内部；
• 生成物返回气相受阻。
• 对沉淀剂选择有以下要求：
① 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂
– 常用的沉淀剂有：
• 碱类(NH4OH、NaOH、KOH) • 碳酸盐[(NH4)2CO4、Na2CO4、CO2] • 有机酸(乙酸、草酸)等 • 最常用的是NH4OH和(NH4)2CO4，因为铵盐在洗涤和热处
涤、干燥、粉碎和机 械成型，最后经500℃ 焙烧活化得到 γ-Al2O3。
– 该法生产设备简单、 原料易得且产品质量 稳定。
② 碱中和法
• 将铝盐溶液[Al(NO3)3、AlCl3、 Al2(SO4)3等]用氨水或其它碱 液( NaOH、KOH、NH4OH ) 中和，得到水合氧化铝：
Al3+ + OH－ ==== Al2O3·nH2O↓
易洗涤。
④ 形成沉淀物的溶解度应小些
– 沉淀反应愈完全、原料消耗愈小;
• 对于贵金属尤为重要。
⑤ 无毒
– 不应使催化剂中毒或造成环境污染。
• 对金属盐类选择有以下要求：
– 一般选用硝酸盐的形式提供金属盐，硝酸根易于洗 脱或加热时分解而无残留。
– 而氯化物或硫化物残留在催化剂中，在使用时会呈 现H2S或HCl形式释放出来，致使催化剂中毒。
1、载体选择
• 浸渍法首先要选择合适载体，根据用途可选择 – 粉末状载体 – 成型载体
• 根据反应类型特点选择不同性质的载体
– 外扩散控制
不需比表面较大的载体；
– 内扩散控制
载体孔径不宜过小；
• 阻挡反应物分子进入孔道内部；
• 生成物返回气相受阻。
催化剂导论PPT课件
3.×，起加速反应作用而又不改变该反应的标
4.
准Gibbs自由焓变化的物质是催化剂。
4. √
5. ×，催化剂参与化学反应过程
6. √
7. √
8. ×，由盐溶液共沉淀法制备氢氧化物时,部
分氢氧化物沉淀的PH可值编辑都课件 大于7
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二、在下列各题叙述中选择你认为正确的答案
1．下列分子筛中择形性突出的为： D
可编辑课件
7
第五节 离子交换法
1. 分子筛的合成
2. 分子筛的分类
3.
A、X、Y、ZSM-5等
3. Si/Al比与分子筛的稳定性关系
4.
第六节 催化剂成型
5. 压片、挤条、油可编辑中课件 、转动成型
8
第三章 催化剂性能的评价、 测试和表征
1.催化反应动力学研究的意义和作用
催化动力学研究的一个重要目标是为所研 究的催化反应提供数学模型，帮助弄清催 化反应机理。
知道NaY的结晶度）？ （5）你估计图示该工艺中制备NaY的导向剂是何物质？ （6）如何将制得的NaY原粉做成球型催化剂？
可编辑课件
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答： （1）将水玻璃，硫酸铝，偏铝酸钠按合适比例与一定 量导向剂混合，搅拌使成胶，在一定温度下晶化一定时 间后，过滤洗涤除去硫酸根等，干燥即制得NaY原粉 （2）影响晶化的因素主要是：晶化温度、晶化时间、 原料配比及其碱度。通过单因素实验，正交与均匀设 计实验等，即可确定这些因素的较佳值。 （3）导晶沉淀法 （4）通过X射线粉末衍射即可测定NaY的晶化程度 （5）NaY晶种（P52：化学组成、结构类型与分子 筛相类似的、具有一定粒度的半晶化分子筛）。 （6）成球机成型；胶溶后，油柱成型。
催化剂工程导论
《工业催化基础》课件(第8章-环境催化基础)2015-8
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4
第二节 催化脱硫过程
2、H2还原法
反应式： SO2 + 2H2 = S + 2H2O S + H2 = H2S
常用催化剂：多孔载体负载Fe、Co，Ni等活性组分的催化剂；铝矾土 做催化剂；钌负载于多种载体（MgO、TiO2 、ZrO2 、HfO2 、SiO2 、 Al2O3 和VO2 ）钌催化剂还有一个共同的特点，就是反应的选择性几 乎为百分之百，出口气体中检测不到H2S。催化剂Ru/TiO2 在低温时具 有很高的活性。
• 由于燃煤烟气中的NO浓度低，NO氧化反应的反应速率低，因此必须有催化剂的参与。目前有 三种类型的催化剂，即分子筛、活性炭、金属氧化物或贵金属催化剂。过渡金属离子交换分 子筛对NO氧化有较大活性。所得活性顺序为：Cu2+>Cr3+>Co2+>Fe3+>Ni2+。水和SO2都是烟道 气中存在的物质，它们对催化剂活性有很大影响。氢型丝光沸石也有不错的活性。
含NOx的气体在一定温度和催化剂的作用下，与还原剂发生反应。其中的二氧化氮还原为氮气， 还原剂与气体中的氧发生反应生成水和二氧化碳。还原剂有氢、甲烷、一较化碳和低碳氢化合 物。在工业上可选用合成氨释放气、焦炉气、天然气、炼油厂尾气和气化石脑油等作为还原剂 ，一般将这些气体统称为燃料气。
H2为还原剂时
化工工业资催源化有与效反利应用工国程家研重究点室实验室
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第三节 催化脱氮过程
2、催化还原法：
利用不同的还原剂，在一定温度和催化剂的作用下将NOx还原为无害的氮气和水，通称为催化还 原法。净化过程中，可依还原剂是否与气体中的氧气发生反应分为非选择性催化还原和选择性 催化还原两类。
《吸附与催化》课件
吸附剂与催化剂的比较
作用机制
吸附剂主要通过物理作 用力吸附物质，而催化 剂则是通过参与化学反 应来加速反应速率。
选择性
吸附剂通常对吸附物有 选择性，而催化剂则对 反应物和产物有一定的 选择性。
再生性
一些吸附剂经过处理后 可以重复使用，而催化 剂在反应过程中可能会 失去活性，需要再生或 更换。
PART 05
能源领域的应用
在能源领域，如燃料电池、太阳能电池等，吸附与催化作用的应用 有助于提高能源转化效率和降低能耗。
环境治理
吸附与催化在环境治理方面发挥重要作用，如污水处理、废气处理 等，能够有效降低污染物排放和改善环境质量。
PART 04
吸附剂与催化剂的实例
常见吸附剂
活性炭
由于其丰富的孔结构和较大的比表面积，活性炭 被广泛用于气体和液体的吸附。
催化类型
均相催化
01
催化剂与反应物同处于一相，通常为液相，如硫酸、氯化铁等
。
多相催化
02
催化剂为固相，反应物为气相或液相，如汽车尾气催化剂、石
油裂化催化剂等。
酶催化
03
酶作为物
体内的化学反应。
催化原理
降低反应活化能
催化剂能够降低化学反应所需的活化能，使反应更加容易进行。
吸附与催化的未来发展
吸附技术的研究进展
吸附技术的新材料
随着科技的发展，新型吸附材料如活 性炭、分子筛、金属有机骨架等不断 涌现，具有更高的吸附性能和更广泛 的吸附范围。
吸附技术的环境应用
吸附技术在水处理、空气净化、有毒 有害物质的去除等方面表现出巨大潜 力，为环境保护和可持续发展提供有 力支持。
催化技术的研究进展
选择性催化
工业催化原理ppt课件
CFSE对催化作用的影响
➢ 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成 五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形 成七配位的中间过渡态构型。
按配位场理论进行的过渡金属氧化物
催化过程
如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可 以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。
这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化 能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100） 表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体 五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附 作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有 利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9 离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。
B)对于施电子气体吸附（以H2为例）
➢ 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离 子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主 作用。
吸附气 半导体类 吸附物种 吸附剂 吸附位
EF
体
型
受电子 气体 （O2）
N型 V2O5）
O2→O2O-,O22-,O2-
P型 Cu2O
O2→O2O-,O22-,O2-
晶体场稳定化能（CFSE）
晶体场稳定化能（CFSE）
➢ d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分 裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨 道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。
➢ 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予 氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为 稳定化能（CFSE）
半导体催化剂化学吸附与催化作用
1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附
O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在 表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果 是氧在表面吸附是有限的。
➢ 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成 五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形 成七配位的中间过渡态构型。
按配位场理论进行的过渡金属氧化物
催化过程
如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可 以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。
这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化 能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100） 表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体 五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附 作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有 利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9 离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。
B)对于施电子气体吸附（以H2为例）
➢ 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离 子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主 作用。
吸附气 半导体类 吸附物种 吸附剂 吸附位
EF
体
型
受电子 气体 （O2）
N型 V2O5）
O2→O2O-,O22-,O2-
P型 Cu2O
O2→O2O-,O22-,O2-
晶体场稳定化能（CFSE）
晶体场稳定化能（CFSE）
➢ d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分 裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨 道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。
➢ 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予 氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为 稳定化能（CFSE）
半导体催化剂化学吸附与催化作用
1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附
O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在 表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果 是氧在表面吸附是有限的。
《催化作用原理》课件
要点二
详细描述
智能催化与人工酶是未来催化科学与技术的重要发展方向 。通过结合智能技术和生物酶的催化机制，设计具有优异 性能的智能催化剂和人工酶。这将有助于解决一些传统催 化方法难以解决的问题，提高催化反应的效率和选择性。
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THANKS
详细描述
通过建立动力学模型，可以定量描述反应速 率与反应物浓度、温度等参数之间的关系。 这有助于优化反应条件，提高催化效率。
总结词
反应机理研究方法是探索催化反应如何 发生的重要手段，对于催化剂设计和性
能改进具有指导意义。
详细描述
常用的反应机理研究方法包括同位素示踪法、中间体捕获和红外光谱等。这些方法有助于揭示反应过程中的关键 步骤和中间产物，为催化剂的优化提供理论支持。
催化剂的选择性
总结词
催化剂的选择性是指催化剂对反应物转化为目标产物的选择性，即目标产物在所有产物 中的比例。
详细描述
催化剂的选择性对工业催化过程至关重要，可以提高目标产物的产率和纯度，降低副产 物的生成。影响催化剂选择性的因素包括催化剂的组成、结构、表面性质以及反应条件
等。
催化剂失活与再生
总结词
化工生产中的催化过程
乙烯的合成
通过催化剂的作用，将乙醇转化 为乙烯，是化工生产中重要的原
料。
丙烯腈的合成
通过催化剂的作用，将丙烯和氨转 化为丙烯腈，是重要的合成材料。
苯酚的合成
通过催化剂的作用，将苯和甲醛转 化为苯酚，是重要的化工原料。
环境治理中的催化过程
汽车尾气的催化转化
通过催化剂的作用，将汽车尾气中的有害物质转化为无害物质， 降低空气污染。
03
催化剂的活性与选择性
催化剂的活性
催化原理气固多相反应动力学基础幻灯片PPT
第三章 催化反响动力学
3.1多相催化反响过程
气固多相催化反响的完成包括以下步骤：
1.反响物自气流的主体穿过催化剂颗粒外外表上 的气膜扩散到催化剂颗粒外外表 2.反响物自外外表向孔内外表扩散
3.在内外表上吸附成外表物种 4.外表物种反响形成吸附态产物 5.吸附态产物脱附 6.吸附态产物 ,直到进入气流主体
K为速率常数，α1、α2等为级数
第下或类似的形式
此式描述的是SO2的氧化，其中A，B为常数，K为反响的平衡常数 基元过程一般服从Arrehnius定律
其中A为指前因子，E为活化能 •在总包反响情况下，总反响速率常数有时在形式上遵从 Arrehnius定律，此时所对应的E称为表观活化能，表观活 化能是否有具体的物理意义视情况而定
第三章 催化反响动力学
第三章气固多相催化反响动力学根底
[教学难点] 1. 两步机理模型的两个假定，三个定 理 2[主. 反要响内区容间] 的识别 1. 多相催化反响过程和外表质量作用定律 2. 化学反响，吸附和脱附为控制步骤的动力学方程 3. 两步机理模型的两个假定，三个定理 4. 外扩散和内扩散对反响动力学的影响 5. 外扩散和内扩散阻滞效应的识别
催化原理气固多相反响动 力学根底幻灯片PPT
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第三章 催化反响动力学
第三章气固多相催化反响动力学根底
其中的吸附、脱附和外表反响是与孔内的扩散同时进展
第三章 催化反响动力学
3.1多相催化反响过程
多相催化反响中的吸附、外表反响和脱附过程: 外表催化过程
多相催化与催化动力学PPT学习课件
接受电子。K2O把电子传递给Fe后，增加Fe的电子密度，提高了对合成氨反应物之一的氮的活化程度。
47
实验证据： 1）以金属钾作为助剂的Fe催化剂催化活性比K2O作为助剂的高10倍； 2）Fe、Ru对合成氨有催化活性的金属负载在活性碳上却失去了活 性；如果加入金属钾，又产生了活性； 3）调变性助剂给电子能力与催化剂活性之间有规律性联系。
38
还有可能低温下进行烷基加成反应： 在H2O存在下还有可能反应生成醇：
39
金属催化剂活化主要起催化加氢反应。 碱性催化剂活化主要是使烷基芳烃进行侧链烷基化： 非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和烃的活化可能是-键合型的络合活化。
40
2、助催化剂
（1）结构性助催化剂 主要用来增加主催化剂的结构稳定性，以此来提高催化剂的寿命和稳定性，所以又称稳定剂（例如有 些催化剂的活性组分是低熔点金属）。
4
1) 根据有关催化理论（金属能带理论）归纳的参数 金属能带理论
A） d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率 称为d特性百分数。 金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多，也就表明d带中空穴 越少。
过渡金属的d带空穴值
5
金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
44
判断调变性助剂的常用方法： * 化学吸附强度和反应活化能。
结构件助催化剂并末改变催化剂的表面性质，因而不会改变 反应的总活化能，而调变性助剂使两者都会发生改变。 * 化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。
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实验证据： 1）以金属钾作为助剂的Fe催化剂催化活性比K2O作为助剂的高10倍； 2）Fe、Ru对合成氨有催化活性的金属负载在活性碳上却失去了活 性；如果加入金属钾，又产生了活性； 3）调变性助剂给电子能力与催化剂活性之间有规律性联系。
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还有可能低温下进行烷基加成反应： 在H2O存在下还有可能反应生成醇：
39
金属催化剂活化主要起催化加氢反应。 碱性催化剂活化主要是使烷基芳烃进行侧链烷基化： 非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和烃的活化可能是-键合型的络合活化。
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2、助催化剂
（1）结构性助催化剂 主要用来增加主催化剂的结构稳定性，以此来提高催化剂的寿命和稳定性，所以又称稳定剂（例如有 些催化剂的活性组分是低熔点金属）。
4
1) 根据有关催化理论（金属能带理论）归纳的参数 金属能带理论
A） d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率 称为d特性百分数。 金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多，也就表明d带中空穴 越少。
过渡金属的d带空穴值
5
金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
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判断调变性助剂的常用方法： * 化学吸附强度和反应活化能。
结构件助催化剂并末改变催化剂的表面性质，因而不会改变 反应的总活化能，而调变性助剂使两者都会发生改变。 * 化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。
工业催化剂的开发ppt课件
6
◇ 1909年11月6日Mittasch的助手Wolf博士在一个实验柜中发 现一瓶放置多年的瑞典Gallivare铁矿石，他以此为催化剂进行 氨合成试验，NH3产率达到了3%，而且能够长时间（十多个昼 夜）稳定操作，这个结果大大鼓舞了整个小组。 Mittasch本人 开始时认为是铁矿石的某种结构起了良好作用，但不久之后对铁 矿石进行剖析发现，存在于铁矿石中的某些少量组分对催化活性 具有重要作用，为了确定这些杂质的影响，他们往纯铁中分别加 入了这些少量组分最后发现纯铁中加入少量Al2O3、KOH和CaO 是合成氨的良好催化剂，其组成与瑞士铁矿石十分相近。
8
◇ 1913年9月9日第一座反应装置投产，日产氨30吨。
◇1918：弗里茨·哈伯(Fritz Haber)德国人(1868-1934) 诺贝尔化学奖。
为化肥的诞生作出重要贡献并获得诺贝尔化学奖金的 科学家弗里茨·哈伯，他是德国自修成才的化学家。
◇1932：卡尔·波斯(Carl Bosch)德国人(1874—1940) 对改革合成氨工业体 系做出重大贡献而获得一九三一
◇继Haber的锇、铀催化剂（未被工业所采用）之后，1910年未 多组分的铁催化剂终于诞生了，它既高效又便宜满足了工业的需 要。
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◇ 1911年BASF的C. Bosch小组着手合成氨工业装置的设计加 工，这个世界上第一个高压合成氨反应器。至今还矗立在 BASF合成氨研究所大楼前马路对面的小花圃之中，内径 285mm，容量90L，它是合成氨催化过程历史上的里程碑。
开发一个全新的催化过程: 即这一过程以前是没有的，必须设计一种新的催化剂， 使这一催化过程能有效地进行，并具有工业使用价值。
改进现有的催化过程: 即这一催化过程已经实现了工业化，但催化剂的某些特性， 如活性、选择性、强度、寿命（或者说再生周期）、对毒物的敏感性等有令人不满 意之处，需要设计一种新的催化剂，或改进现有催化剂的某些性能，以期取得更好 的经济效果。这就是工业催化剂的换代开发设计。
◇ 1909年11月6日Mittasch的助手Wolf博士在一个实验柜中发 现一瓶放置多年的瑞典Gallivare铁矿石，他以此为催化剂进行 氨合成试验，NH3产率达到了3%，而且能够长时间（十多个昼 夜）稳定操作，这个结果大大鼓舞了整个小组。 Mittasch本人 开始时认为是铁矿石的某种结构起了良好作用，但不久之后对铁 矿石进行剖析发现，存在于铁矿石中的某些少量组分对催化活性 具有重要作用，为了确定这些杂质的影响，他们往纯铁中分别加 入了这些少量组分最后发现纯铁中加入少量Al2O3、KOH和CaO 是合成氨的良好催化剂，其组成与瑞士铁矿石十分相近。
8
◇ 1913年9月9日第一座反应装置投产，日产氨30吨。
◇1918：弗里茨·哈伯(Fritz Haber)德国人(1868-1934) 诺贝尔化学奖。
为化肥的诞生作出重要贡献并获得诺贝尔化学奖金的 科学家弗里茨·哈伯，他是德国自修成才的化学家。
◇1932：卡尔·波斯(Carl Bosch)德国人(1874—1940) 对改革合成氨工业体 系做出重大贡献而获得一九三一
◇继Haber的锇、铀催化剂（未被工业所采用）之后，1910年未 多组分的铁催化剂终于诞生了，它既高效又便宜满足了工业的需 要。
7
◇ 1911年BASF的C. Bosch小组着手合成氨工业装置的设计加 工，这个世界上第一个高压合成氨反应器。至今还矗立在 BASF合成氨研究所大楼前马路对面的小花圃之中，内径 285mm，容量90L，它是合成氨催化过程历史上的里程碑。
开发一个全新的催化过程: 即这一过程以前是没有的，必须设计一种新的催化剂， 使这一催化过程能有效地进行，并具有工业使用价值。
改进现有的催化过程: 即这一催化过程已经实现了工业化，但催化剂的某些特性， 如活性、选择性、强度、寿命（或者说再生周期）、对毒物的敏感性等有令人不满 意之处，需要设计一种新的催化剂，或改进现有催化剂的某些性能，以期取得更好 的经济效果。这就是工业催化剂的换代开发设计。
1-工业催化原理ppt课件
H2在金属催化剂表面均裂为化 学吸附的活泼的氢原子
42
Hale Waihona Puke 酸碱催化指通过催化剂和反应物的自由电子对或 在反应过程中由反应物分子的键非均裂 形成的自由电子对．使反应物与催化剂 形成非均裂键。
例如，催化异构化反应中，反应物烯烃 与催化剂的酸性中心作用、生成活泼的 正碳离子中间化合物
43
烯烃与催化剂酸性中心作用、 生成活泼正碳离子中间化合物
催化剂作为一种化学物质，它能够与反
应物相互作用，但是在反应的终结它仍 保持不变。
4
催化剂加速化学反应的实例
SO2＋O2 SO3 ( V2O5)，无催化剂时， 即使加热也几乎不生成 SO3。
N2＋H2 NH3 (Fe催化剂)，若没有铁催 化剂，在反应温度为400℃时，其反应速 度极慢，竞不能觉察出来，而当有铁催 化剂的存在时，就实现工业生产合成氨。
39
按催化反应分类
催化反应同非催化反应一样，也可根 据反应中反应分子之间电子传递的情况 来分类，可分为：
氧化还原反应
酸碱反应。
40
氧化还原
催化剂使反应物分子中的键均裂而出现 不成对电子，并在催化剂的电子参与下 与催化剂形成均裂键。
这类反应的重要步骤是催化剂与反应物 之间的单电子交换。
41
19
催化剂对反应具有选择性
根据热力学计算，某一反应可能生成不 只一种产物时，应用催化剂可加速某一 目的产物的反应，即称为催化剂对该反 应的选择性。
工业上就是利用催化剂具有选择性，使 原料转化为所需要的产品。
例如，以合成气(CO＋H2)为原料，使用 不同的催化剂则沿不同的途径进行反应。
20
催化剂对反应具有选择性
46
双功能催化剂的实例
第五章工业催化课件
催化剂设计的一般程序
• ）Dowden催化剂设计框图
靶反应 ↓ 化学计量分析 ↓ 热力学分析 ↓ 分子反应机理 ↓ 表面反应机理 ↓ 反应通道 ↓ 催化剂性质 ↓ 催化剂材料 ↓ 推荐的催化剂
Trimm 催化剂设计程序
设想 ↓ 经济技术的评价 ↓ 写出反应过程、定出催化剂类别 ↓ 从可能的表面相互作用描绘反应过程 a.活性模型 b.吸附 ↓ 热 c 化学吸附络合 物 d.几何构成 e.结 从化学观点出发选择主要组分 晶理论. ↓ 选择次要组分 用机械模仿法 ↓ 经验法 ↓ 选择最佳结构 ↓ 载体的选择 物理性能选择 反应器选择 ↓ 各种要求是否有矛盾？最佳化
2.催化剂原材料的选择 .
• 催化剂设计 经验+ 定性选择→ 经验+局部理论 →定性选择→定量优化
2.催化剂原材料的选择 2.催化剂原材料的选择
• 催化材料 • 金属、合金、氧化物、硫化物、酸、碱、 金属、合金、氧化物、硫化物、 其它化合物 • 与金属有关的一些催化材料（表5-6） 与金属有关的一些催化材料（ • 其中70%以上的催化反应 涉及到金属 其中70% 70%以上的催化反应 成分
催化剂设计的理论概观
• 理论发展
经验筛选法→催化理论→催化模型→ 经验筛选法→催化理论→催化模型→催化剂设计
•
1968年英国催化科学家D.A.Dowden 首次提出“ 1968年英国催化科学家D.A.Dowden 首次提出“催化 年英国催化科学家 剂设计”构想。 剂设计”构想。 日本米田幸夫提出“数值的触媒学” 日本米田幸夫提出“数值的触媒学”。将化学特性数 值与反应基质分子物性进行关联来预期催化剂的制造 及筛选。 及筛选。 1980年澳大利亚D.L.Trimm教授 写成《 年澳大利亚D.L.Trimm教授， 1980年澳大利亚D.L.Trimm教授，写成《工业催化剂 的设计》一书。 的设计》一书。 1991年黄仲涛编著 工业催化剂设计与开发》一书。 年黄仲涛编著《 1991年黄仲涛编著《工业催化剂设计与开发》一书。 1994年Robert.B汇编 催化剂的计算机辅助设计〉 汇编〈 1994年Robert.B汇编〈催化剂的计算机辅助设计〉。
工业催化ppt课件
新能源开发
用于生产太阳能电池、燃料电 池等新能源材料。
制药行业
用于合成药物、生物催化剂等 生物医药产品的生产。
02
工业催化原理与技术
催化反应原理
催化反应定义
在催化剂的作用下，反应物之间 发生化学反应并生成产物的过程
。
催化反应特点
反应速率快、选择性高、能耗低、 副产物少。
催化反应机理
了解催化反应过程中，反应物如何 通过催化剂表面的吸附、活化、反 应和脱附等步骤转化为产物。
对设计的催化反应流程进行技术经济评估 ，确保其在工业生产中的可行性和经济效 益。
工业催化设备及其选型
确定设备参数
根据工艺要求和设备类型，确定设备的主 体尺寸、材质、压力、温度等参数，以确
保设备的性能和安全性。
A 确定设备类型
根据催化反应的类型和规模，选择 适合的工业催化设备，如固定床反 应器、流化床反应器、搅拌釜等。
工业催化实验方法与操作规程
实验方法选择
根据实验目的和要求，选择合适 的实验方法和操作规程，确保实 验结果的准确性和可靠性。
实验操作流程
按照实验步骤和要求进行操作， 注意实验细节和注意事项，避免 实验误差和安全事故。
数据处理与分析
对实验数据进行处理、分析和解 释，得出实验结论，为实际工业 生产提供指导和参考。
提高工业催化效率的途径与方法
优化催化剂设计
通过改进催化剂的组成和结构，提高其活性和选 择性，从而提高催化效率。
强化反应条件
优化反应温度、压力、浓度等条件，以降低能耗 和提高产物收率。
过程集成与优化
通过集成和优化催化反应过程，实现能源的高效 利用和废物的减量化。
THANKS
感谢观看
工业催化PPT教学课件
总成绩=期末考试成绩（50%）+平时成绩（20%）+论文（30%）
论文是一篇关于“催化在各自领域中的研究与应用现状”的综述性文章。
.
3
参考书目
（1）工业催化基础 —赵光 编 哈尔滨工程大学出版社 1999年 （2）应用催化基础 —吴越著 化学工业出版社 2008年 （3）Heterogeneous Catalysis In Industrial Practice Second Edition---Charles N. Satterfield, McGraw-Hill, Inc.(实用多相催化） （4）Heterogeneous Catalysis Principles and Applications-----G.C. Bond, Oxford Science publications
经过一段时间的沉寂，化学 工业从“重视产量”转向 “重视功能化”发展，将过去
大宗化学品生产过程中累积的技术与经验转 向应用和高性能的精细化工方向发展，很快 使化学工业出现了转机。
此阶段催化技术配合化学工 业出现了“择形催化”、 “手性催化”、环境友好的 “固体酸催化”等，以及用 于具有监控能力的“传感器 催化技术”、防治汽车污染 的“三效催化技术”等。
H2、 甲醇、. 二甲醚、 FT合成
硫制
聚烯烃 芳烃
1973年 金属有机 催化
12
化学工业的发展与催化剂的应用是密不可分的。
20世纪 30年代以前
20世纪 30~80年代
20世纪 80~90年代至今
属于当时尖端科技的 化学工业主要是天然 物质的直接利用
能量
代谢
.
8
自然界催化现象普遍存在（3）
植物的光合作用
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学
配位型等吸附化学键；
吸 附
吸附热大（80~400kJ/mol），一般是不不可逆的
化学吸附为单分子层吸附，具有饱和性
化学吸附是反应物分子被活化的关键
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.4 反应物分子的化学吸附
C H
PLF为H2在金属表面物理吸附的位能 曲线；
CFH曲线为H原子在金属表面上化学
3.1
多相催化催化反应
多相催化发生在催化剂的表面，因此催化反应包含反应物分子 在催化剂孔内的扩散、表面上的吸附、表面上的反应以及产物分子 的脱附等过程。对于催化剂来说，吸附中心常常就是催化活性中心 。吸附中心和吸附质分子共同构成活性中间物质。
反应物质在催化剂表面上的吸附改变了反应的途径，从而改变 了反应的活化能，没有吸附就没有多相催化，多相催化反应机理与 吸附和扩散机理是不可分割的。
球形催化剂上反应物A的的浓度分布
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 内扩散效应与效率因子
1. 效率因子
由于内扩散阻力的存在，在催化剂颗粒的内表面反应物的浓 度小于流体主体中的浓度，所以内扩散阻力使得表观反应速率 低于本征反应速率。
η= 观测的反应速率
本征反应速率
催化剂的颗粒越大、毛细孔越细时，内扩散阻力越大，η值就越 小。
吸附的位能曲线；
F G
L
ΔHp
PLFGH为H2在金属表面的物理吸附 转化为解离型的化学吸附的位能变化
P 与表面
的距离
曲线。
H2在Ni上吸附的位能曲线
（吸附位能和被吸附分子固体表面间的距离关系）
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.5 表面反应
化学吸附只是催化反应的第一步，吸附物种在表面上还会迁移， 相互反应、脱附等。要使整个反应能够继续进行下去，要求催 化剂对反应物的吸附既不能太牢也不能太弱。吸附太牢不利于 吸附物种进行反应；吸附太弱则会在表面反应发生之前就脱附 （或分子活化不够）。因此，当催化剂对反应物的吸附强度中 等时，催化剂的活性最好。
第三章 多相催化中的传质与吸附
化学工程学院
本章的主要内容
1
多相催化反应
2
吸附等温线
3 多相催化反应动力学方程
4
金属表面上的化学吸附
5 氧化物表面上的化学吸附
6
工业催化的使用
本3 多相催化反应动力学方程
4
金属表面上的化学吸附
5 氧化物表面上的化学吸附
6
工业催化的使用
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.4 反应物分子的化学吸附
物 借助分子间力（范德华力）吸附在表面上的，分子结构变化不大；
理 吸
吸附力弱，吸附热小（8~20kJ/mol）
附 可逆的，无选择性，分子量越大约易发生
化学吸附与一般的化学反应相似，借助的化学键力；反应物分子
化
与催化剂表面原子间发生了电子转移，并形成离子型、共价型、
关，也叫做化学动力学过程
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.1 多相催化反应步骤
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.2反应物在催化剂表面上的浓度分布
（1）无均相反应时，MR范围内，浓 度与距离呈线性关系； （2）在催化剂颗粒内部，化学反应与 传递过程同时存在，所以浓度分布为 曲线； （3）根据不同位置浓度的相对大小可 以判断过程的控制步骤。
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 扩散效应与效率因子
内扩散对活性和选择性的影响
内扩散对活性的影响 内扩散存在，η<1,故表观反应速率低于本征反应速率 内扩散对选择性的影响 内扩散阻力还影响催化剂的选择性
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.4 反应物分子的化学吸附
当反应物分子通过扩散达到催化剂活性表面附近时，它们可能进行 化学吸附，与活性表面相互作用产生新的化学物种。在催化反应中， 至少要有一种反应物分子必须在催化剂表面上进行吸附，才能实现 催化剂的作用。化学吸附本身是一个复杂的过程，分两步进行，即 物理吸附和化学吸附在催化反应中，有效的吸附类型是化学吸附。 因为化学吸附时，反应物分子与催化剂表面形成了吸附键，该吸附 键影响反应物分子中原有的化学键而使分子得到活化。因此，化学 吸附是反应物分子被活化的关键。
定的滞流层，反应物分子必须穿过此滞流层才能到达催化剂外表面，
且在滞流层和催化剂外表面间形成浓度梯度。反应分子穿过此层的传
质速率为
A =kGam (CAg CAs )
kG外扩散系数；am为扩散面积，单位质量催化剂颗粒的有效外表面积。
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 扩散效应与效率因子
1. 外扩散与外扩散系数
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.1 多相催化反应步骤
①反应物向催化剂表面和孔内扩散； ②反应物在催化剂的内表面上吸附； ③被吸附的反应物在催化剂内表面上 迁移、化学重排和反应； ④产物从催化剂的内表面上脱附； ⑤反应产物在孔内扩散并向流体主体 扩散
内扩散
外扩散
① ⑤是扩散过程（传质过程），与催化剂的宏观结构和流体流型有关； ②③④在表面上进行的化学过程，与催化剂的表面结构、性质和反应条件有
外扩散速率的大小及其施加的影响，与流体的流速、催化剂颗粒粒径 以及传递介质的密度、粘度等有关。
消除外扩散阻力的方法有增加气流线速度及搅拌。判断外扩散消除的 依据是线速度改变不影响表观反应速率。
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 扩散效应与效率因子
2. 内扩散与外扩散系数
概 反应物分子在催化剂颗粒内部的毛细孔中的扩散过程叫做内扩散。当催化 述 剂的颗粒越大，催化剂的毛细孔越细时，内扩散阻力就越大。
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 扩散效应与效率因子
由于催化反应经受着内、外扩散的限制，常常使观测到 的反应速率比催化剂的本征反应速率低，故存在一个效 率因子，其定义为
观测的反应速率
= 本征反应速率
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 扩散效应与效率因子
1. 外扩散与外扩散系数
催化剂颗粒周围由反应物分子、产物分子和稀释剂分子等形成一稳
对于气体，孔扩散包括两种：
容积扩散(分子扩散):孔径较大, 扩散阻力来自分子间的碰撞.
分 努森扩散:在微孔中, 扩散的阻力主要来自分子与孔壁的碰撞. 类 在微孔内的扩散阻力不仅来自分子间的互相碰撞, 还有分子与孔壁的碰
撞. 当孔径小于分子的平均自由程时, 后者起主导作用, 这种扩散称为努森 (Kundsen)扩散. 当孔径大于分子的平均自由程时, 前者起主导作用, 这种扩 散称为容积扩散。