《工业催化基础》讲义(09)3
《工业催化(第3版)》教学课件—03吸附、催化作用与催化剂
３.１ 催化作用与催化剂
• ３.１.１ 催化作用的定义与特征 • ３.１.１.１ 定义 • 根据ＩＵＰＡＣ于１９８１年提出的定义，催化剂是一种
能够加速反应速率而不改变该反应的标准Ｇｉｂｂｓ自由 焓变化的物质。这种作用称为催化作用。涉及催化剂的反 应称为催化反应。
• 催化剂之所以能够加速化学反应趋于热力学平衡点，是由 于它为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径。
图３－６ 催化剂再生、 运转时间与寿命的关系
• ３.１.３.３ 环境友好和自然界的相容性
• 适应于循环经济的催化反应过程，其催化剂属性不仅要具 有高转化率和高选择性，还要涵盖可持续发展概念的要求 ，即应该是无毒无害、对环境友好的，反应应尽量遵循“ 原子经济性”，且反应的剩余物与自然相容的要求，也就 是“绿色化”的要求。
• ①反应物分子从气流中向催化剂表面和孔内扩散； • ②反应物分子在催化剂内表面上吸附； • ③吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分
子作用进行化学反应； • ④反应产物自催化剂内表面脱附； • ⑤反应产物在孔内扩散并扩散到反应气流中去。
图３-１３ 多相催化反应过程中各步骤的示意图
图３－１４ 多相催化反应中的吸附、表面反 应和脱附过程
• 则金属的总表面积Ａ可表示为
• 正确可靠的测量结果，尚需消除许多因素：吸附质气体在 金属中的溶解，与金属形成化合物，载体的固有吸附能力 ，金属与载体之间因强相互作用产生的溢流现象等。
• ３.３.３ 氧化物表面上的化学吸附
• 在氧化物表面上的化学吸附，要比金属表面上的复杂，研 究也更困难。因为：
（吸附质）的吸附能力，需要研究吸附速率和吸附平衡及 其影响因素。除吸附剂和吸附质的本性外，最重要的影响 因素是温度和压力。达到平衡时的气体吸附量称为平衡吸 附量，它是吸附物系（包括吸附剂和吸附质）的性质、温 度和压力的函数。对于给定的物系，在温度恒定和达到平 衡的条件下，吸附量与压力的关系称为吸附等温式或称吸 附平衡式，绘制成的曲线称为吸附等温线。
《工业催化基础》课件(2011)-407811
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
石脑油 天然气
中
催 塔
一二 段段 转转 化化
变 换 低
氧 化 碳 吸 收
甲 烷 化
合 成 塔
温
塔
变
换
空气
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NH3
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
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第三节 催化过程
四、甲烷化过程
成塔低时变必后须,脱原除料, 中过微去量用的铜C氨O液和吸CO收2,
(< 0.5%) 进合 现用催化加氢
脱除.
1、反应：
CO + 3H2 → C H4 + H2O CO2 + 4H2 → C H4 + 2H2O
2、催化剂: Ni 是有效的催化剂, 活性大小顺序如下: Ni
的金属簇催化理论。
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第二节 合成氨工艺流程和操作条件
一、工艺流程：
目前，国内外大型合成氨厂基本都采用石脑油或天然气为 原料进行氨的生产，其工艺流程包括烃类加氢脱硫、水蒸气两 段转化制氢、中温和低温变换脱除CO、CO2吸收、微量CO 甲烷 化、氨合成等流程，共采用八种催化剂（CO2吸收除外）。
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第三节 催化过程
三、CO变换过程
1、反应： CO + H2O →CO2 + H2
2、中温变换：Fe、Cr催化剂，反应温度为350-500℃，使CO浓 度降到2-3%；
工业催化基础课程教学大纲.doc
催化原理教学大纲课程名称：催化原理英文名称：The principle of catalysis总学时：32学时理论学时：32 实验学时：0 总学分：2.0一、课程的性质、目的及任务本课程主要介绍工业催化技术的应用以及催化剂设计、制备、表征的一般知识和规律。
研究催化剂结构与性质之间的关系，从微观的角度探讨催化剂组成、比例及表面层原子、分子及离子的位置、运动以及构型与催化剂性能的关系。
通过本课程的学习使同学们系统地掌握工业催化的基本概念、基本原理、基本方法及技巧，为今后的科研和开发打下良好的基础。
二、课程教学基本要求本课程要求学生掌握催化作用的基本原理，了解各类催化剂及其催化作用，包括固体酸碱催体、分子筛催化、金属催化、络合催化、金属氧化物和金属硫化物催化等，并跟踪工业催化的最新进展；初步了解工业催化剂的基本要求，催化剂的组成、制备原理和方法；初步了解催化实验用的反应器和检测仪器、手段等。
三、课程教学基本内容第一章催化作用与催化剂（含绪论）第一节绪论第二节催化作用与催化剂第二章均相催化第一节配位催化的主要原理及应用第二节酸碱催化的主要原理及应用第三章多相催化第一节多相催化的反应步骤第二节..吸附等温线第三节.金属表面上的化学吸附第四节.氧化物表面上的化学吸附第五节.固体酸碱催化剂及其催化作用第六节.分子筛催化剂及其催化作用第七节.金属催化剂及其催化作用第八节.金属氧化物和硫化物催化剂及其催化作用第四章酶催化第一节.酶的结构及命名第二节.酶催化的特征第三节.酶催化动力学第五章工业催化剂的制备与表征第一节工业催化剂的制备第二节..催化剂的使用、失活与再生第三节催化剂的表面积及其测定第四节催化剂的孔结构及其测定第五节催化剂微观结构的表征第六章工业催化剂的设计主要介绍国外几个主要的催化剂设计专家系统.学时分配表教学内容讲课时实验时实践时上］机时自学时习题课讨论时第一章催化作用与催化剂（含绪论） 4第二章均相催化 4第三章多相催化10第四章酶催化 4第五章工业催化剂的制备与表征8第六章工业催化剂的设计 2合计32总计32.主要参考书目[1]《工业催化剂设计与开发》，黄仲传等编著，华南理工大学出版社;[2]《工业催化原理》，李玉敏，天津大学出版社；[3]《液相化学反应动力学原理》，金家骏，上海科学技术出版社；[4]《催化剂成型》，朱洪法，中国石油化工出版社；1987;[5]《实用催化》，高正中，化学工业出版社，1996。
工业催化基础
2、经济效益 （1）催化剂按使用部门划分为炼油、化工.和环保催化剂三大类。据统计，20 世纪80年代中期全球催化剂销售额仅25亿美元，1991年达到66亿美元，1995年103 亿美元，其中炼油、聚合物、化工和环保催化剂分别占22%、16%、26%和35%，汽 车尾气处理Cat.占1/3。
（2）1986年美国商业部估计，美国1984年催化剂消耗总值为13.3亿美元，同 期的石油炼制产品和石油化工产品(两类产品绝大多数通过催化剂生产)的销售总 值为2590亿美元，即＄195产值/＄1 Cat. 。
2）催化化学；
3）废塑料、废弃物回收利用技术；*** 4）分离技术；***
5）工程放大技术；***
6）新能源、节能技术的开发；*** 7）生态平衡工厂、舒适工厂，即绿色化工厂；***
8）现代化管理系统；*
9）高新技术；*** 10）软件开发。**
（2）现代化学工业中，任何一种新产品、新工艺的出现，都是与催化剂 的开发有关。 Ex1：乙烯生产 工业方法：渣油、石脑油、轻柴油裂解→乙烯。 存在问题：石油资源缺乏，与车用燃料、其它石化产品争原料。 缺原料，瓶颈问题。 大力研发：甲烷氧化偶联（OCM）制乙烯。关键:高效催化剂开发。 OCM制乙烯是20世纪80’以来世界天然气转化研究的突出热点。自1982年Keller
等发表第一篇OCM研究论文到1993年初,全世界所发表论文＞950篇,申请美国专利
＞160件。有人统计，国内外所研究过的OCM催化剂＞2000种，及到元素周期表中 除氧族元素以外的各主副族的数十种元素。 目前,OCM制乙烯已取得突破进展,开始投入工业试验。乙烯单程收率达到 26～28%。筛选催化剂有：LiCl/MnO2、Li+/MgO、Li2SO4.MnXOy/TiO2、 MnO2.NaCl/B2O3等。 此外,合成气→烯烃，甲醇→烯烃,大力开发,完成工业试验、正在工业化。
1-工业催化原理PPT优秀课件
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思考题： 2
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思考题： 3
4 、
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反应速率随表面精细结构而变化—结构 敏感反应。
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反应速率
反应速率表示反应快慢，一般有三种表 示方法。
以催化剂重量为基淮 以催化剂体积为基准 以催化剂表面积为基准
在催化反应动力学的研究中，活性多用 反应速率来表达。
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速率常数
用速率常数比较活性时，要求温度相同。 在不同催化剂上反应，只有当反应的速 率方程有相同的形式时，用速率常数比 较活性大小才有意义。此时，速率常数 大的催化剂的活性高。
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催化剂分类
金属催化剂（Ni,Fe, Cu, Pt, Pd….) 金属氧化物催化剂和金属硫化物催化剂
(多为半导体) Ln2O3 MoS 酸碱催化剂 配合物催化剂
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双功能催化剂(多功能催化剂)
是指其催化的过程包含了两种或两种以 上不同反应机理，催化剂也具有不同类 型的活性位。
2021/6/地3 氧化为邻二甲苯酐。
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催化理论的基本思想的形成
在这一时期，逐步产生了某些催化理论 的基本思想。例如，不稳定表面中间物 (1910年)，晶格非理想性(1920年)，表面 活性中心(1925年)，这些理论雏形在实践 中应用，起到了改进旧催化剂、开发新 催化剂的作用，推动了化学工业的发展。
Heterogeneous Catalysis Principles and Applications-----G.C. Bond, Oxford Science
《工业催化基础》课件(第2章 催化剂与催化作用的基础知识)2015-2解读
活性炭
硅藻土 高岭土
50～1500
2～30 ～140
0.32～2.6
0.5～6.1 ～0.31 14
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第三节 固体催化剂的组成和结构
4、催化剂结构
（1）固体工业催化剂的形状结构
固体工业催化剂是具有一定外形和大小的颗粒，催化剂的形状有球状、圆柱 状、环状、片状、网状、粉末状、条状及不规则状，近年来还出现了许多特 殊形状，如三叶状、四叶状、车轮状、蜂窝状及梅花状等，颗粒大小几十微 米到十几毫米。由于制备方法的不同，虽然催化剂的化学组成相同，但是由 于结构（晶相结构和孔结构等）不同，催化剂的性能差别很大。
项 目 酸碱型催化反应 电子对的授受或电荷密度的分布发生变化 非均裂或极化 自旋饱和的物种（离子型物种） 自旋饱和分子或固体物质 酸，碱，盐，氧化物，分子筛 裂解，水合，酯化，烷基化，歧化，异构化 氧化还原型催化反应 单个电子转移 均裂 自旋不饱和的物种（自由基型物种） 自旋不饱和的分子或固体物质 过渡金属，过渡金属氧（硫）化物，过渡金 属盐，金属有机络合物 加氢，脱氢，氧化，氨氧化 催化剂与反应物之间作用 反应物化学键变化 生成活性中间物种 催化剂 催化剂举例 反应举例
工业催化的化学基础
工业催化的化学基础工业催化是指利用催化剂来促进化学反应的进行，提高反应速率和选择性的工艺。
催化剂在工业生产中扮演着重要的角色，其中催化剂的选择和设计直接关系到反应的效率和经济性。
在工业催化的背后，有着深厚的化学基础支撑。
一、催化剂的种类催化剂的种类非常广泛，根据其物理状态可分为固体催化剂、液体催化剂和气体催化剂。
其中，固体催化剂应用最为广泛，包括金属催化剂、金属氧化物催化剂、贵金属催化剂等。
这些催化剂主要通过吸附、表面反应和扩散等方式来促进反应的进行。
二、催化作用的原理催化剂能够降低反应的反应活化能，从而提高反应速率。
这是通过催化剂表面的活性位点来实现的，活性位点能够吸附反应物分子并促使其发生反应。
在反应过程中，催化剂会发生表面吸附和反应、生成中间体等过程，最终得到产物。
三、催化剂的设计与选择在工业催化中，催化剂的设计和选择至关重要。
首先需要考虑的是催化剂的活性和稳定性，活性指的是催化剂促进反应的能力，稳定性则是指催化剂在反应条件下的稳定性。
其次要考虑的是催化剂的选择性和寿命，选择性决定了反应的产物分布，寿命则是指催化剂的使用寿命和再生性能。
四、催化反应的动力学催化反应的动力学研究是理解和优化工业催化过程的关键。
动力学研究可以揭示反应速率随反应物浓度变化的规律，了解反应进行的速率限制步骤，并为催化剂的设计和反应条件的选择提供指导。
五、催化剂的先进研究随着科学技术的不断发展，工业催化领域也在不断创新。
从新型催化材料的设计合成、表征方法的发展、反应机理的研究等方面都在取得新的进展，为工业催化的发展提供了新的思路和可能性。
总结：工业催化是一门重要的交叉学科，涉及化学、物理、材料等多个领域。
其化学基础包括催化剂种类、催化作用原理、催化剂设计与选择、催化反应的动力学等方面。
通过不断地研究和创新，工业催化将为实现绿色、高效的生产提供更多可能性。
工业催化导论第三章
在新材料、新能源、生物医药等领域，工业催化技术发挥着至关重要的作用，推动了新兴 产业的快速发展和传统产业的转型升级。
未来工业催化的发展方向与挑战
研发新型高效催化剂
强化催化反应机理研究
针对不同工业过程，研发具有更高活性、 选择性和稳定性的新型催化剂，以满足不 断变化的市场需求。
催化反应动力学基础
动力学参数
反应机理
揭示反应如何进行，包括中间产 物、活化能等，是理解反应动力 学的关键。
通过实验测定反应速率常数、活 化能等动力学参数，有助于优化 反应条件和提高催化效率。
温度影响
温度对催化反应速率有显著影响， 通过研究温度与反应速率的关系， 可以找到最佳的反应温度。
反应速率方程
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酸碱催化剂
如硫酸、氢氧化钠等，通过酸碱中 和反应来促进化学反应的进行。
酶催化剂
生物体内存在的天然催化剂，具有极 高的催化效率和选择性，常用于生物 发酵和制药等领域。
复合催化剂
由多种组分组成的催化剂，通过协 同作用提高催化性能，广泛应用于 各种化学反应中。
负载型催化剂
催化剂被负载在固体载体上，可提 高催化剂的分散度和稳定性，延长 使用寿命。
深入理解催化反应机理，有助于优化催化 剂设计，提高催化效率，减少副反应，降 低能耗和资源消耗。
发展绿色催化工艺
应对资源与能源挑战
在保证产品性能的同时，努力实现工业催 化过程的绿色化，减少对环境的负面影响 。
随着全球能源和资源紧张的加剧，工业催 化需要更加注重资源的有效利用和能源的 可持续发展，以应对未来的挑战。
石油裂化催化过程
石油裂化是一种将重质油转化为轻质油的过程， 通过使用催化剂，可以有效地促进裂化反应，提 高轻质油产物的收率。
《工业催化基础》课程教学大纲(本科)
《工业催化基础》课程教学大纲英文名称：Basis of Catalysis in Industry课程类型：专业课课程要求：必修学时/学分：32/2适用专业：化学工程与工艺一、课程性质与任务该课程的主要目的与要求是使学生掌握催化作用的基本规律、了解催化过程的化学本质、熟悉工业催化技术的基本要求和特性，培养学生对与催化剂相关问题的分析能力和解决能力。
为培养上述专业的工程技术人才提供坚实的理论基础。
二、课程与其他课程的联系本课程是一门多学科综合性很强的专业课，要求学生先修普通化学、分析化学有机化学、物理化学等基础课。
由于催化剂在化学工业上应用广泛，有90%以上的化学反应过程都使用催化剂，在学习期间或之后可以安排化工工艺学、化学反应工程课程时，对更好学习和理解这些课程的内容有很大的好处。
三、课程教学目标1．学习催化剂和催化作用基础知识和基本理论知识；掌握常催化作用特征；选用合适催化剂的能力；2．了催化剂活化、催化剂的失活及其再生过程，具对工业催化剂评价和使用的能力；3．掌握基本的催化剂设计和研制创新方法，培养学生追求创新的态度和意识；4．熟悉各类催化剂的特点和应用领域，了解各类催化剂的催化理论及其应用以及影响催化作用的因素；5．培养学生的对催化剂的制备、检测和评价的工程实践学习能力，使学生掌握典型的实验方法，获得实验技能的基本训练，具有运用催化原理解决工业催化实际问题的能力；6．了解工业催化的前沿和新发展动向。
四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）本课程没有可其他课外教学过程。
六、教学方法由于本课程中涉及知识面较宽，所阐述内容较多，最新的科技研究成果也比较丰富，为了引起学生学习的兴趣和加强讲授时的教学效果，本课程采用多媒体课件教学为主的教学方式。
由于在讲授过程中加入了大量的工业催化方面的研究成果，提高了学生的学习热情，也为拓宽他们将来的就业渠道打下了一定的基础。
在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生了解催化剂和理解催化原理的基本概念及其在化工生产中的应用。
《工业催化基础》课件(2011)-5
第五章石油化工催化过程主要内容：催化裂化催化重整催化加氢和脱氢烃类选择氧化烷基化和歧化反应烃类异构化和芳构化催化水合和脱水反应烯烃的二聚和齐聚工业聚烯烃催化反应均相催化反应等工业催化过程的反应特征和规律第一节催化裂化一、裂化反应1、烷烃裂化为烯烃和较小的烷烃；C n H2n+2 C m H2m(烯烃) + C p H2p+2（烷烃）n=m+p2、烯烃裂化为较小的烯烃；C n H2n C m H2m(烯烃) + C p H2p（烯烃）n=m+p、烷基芳烃脱烷基为芳烃和烯烃；ArC n H2n+1 ArH(芳烃) + C n H2n（烯烃）第一节催化裂化4、芳烃侧链的断裂；ArC n H2n+1 ArC m H2m－1(带有烯烃侧链的芳烃) + C p H2p+1（烷烃）n＝m+p5、环烷烃裂解为烯烃；C n H2n C m H2m(烯烃) + C p H2p（烯烃）n=m+p6、氢转移；环烷烃 + 烯烃芳烃 + 烷烃7、异构化；烯烃异构烯烃烷烃异构烷烃第一节催化裂化8、烷基转移；C6H4(CH3)2 + C6H6 C6H5(CH3) + C6H5(CH3)9、低分子量烯烃的歧化2H2C=CHCH2CH3H2C=CHCH3 + H2C=CHCH2CH2CH3第一节催化裂化二、催化裂化反应机理烃与催化剂表面酸中心反应生成活泼碳正离子，活泼碳正离子引发烃的链式反应碳正离子经过氢转移步骤生成碳正离子可分解为较小的正碳离子和一个烯烃分子生成的烯烃比初始的烷烃原料易于变为正碳离子，裂化速度也较快由于C-C键断裂一般发生在碳正离子的β位置，所以催化裂化可生成大量的C3～C4烃类气体，只有少量的甲烷和乙烷生成。
新正碳离子或裂化，或夺得一个氢负离子而生成烷烃分子，或发生异构化、芳构化等反应。
第一节催化裂化三、催化裂化催化剂1、无定形催化剂如SiO2-Al2O3催化剂（早期的催化剂，Al2O3中嵌入Si，表面呈酸性）2、分子筛催化剂活性高，选择性好，现普遍采用的催化剂，如ZSM-5四、催化裂化反应工程流化床催化裂化（FCC）工艺示意图：第二节催化重整一、催化重整反应1、加氢-脱氢反应；2、异构化、环化反应；3、芳构化反应。
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。
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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
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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
.
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自然界催化现象普遍存在（3）
植物的光合作用
工业催化基础3
第三节
吸附和脱附速率方程
② 粒子(分子)在表面解离为两个粒子，并各占一个吸附中 心，如：
A2 + 2* ⇌ 2A*
则吸附速率方程为：
( * 表示活性中心）
ra k a p(1 )
脱附速率方程为：
2
rd k d
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第三节
吸附和脱附速率方程
③ 混合吸附（如 A、B同时吸附在同一种中心上）
化学键力
≥ 40 kJ/mol 吸附速率慢，一般需活化 通常在高温下，高于气体的液化点 单层吸附或定域化吸附 有选择性，与吸附质、吸附剂的本
质有关
可逆或不可逆吸附 4
化工资源有效利用国家重点实验室
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第一节
物理吸附与化学吸附
吸附热随表面覆盖度的变化
覆盖度—催化剂上发生吸附的面积与催化剂总面积之比。
分子和固体间化学键的形成、电子重排等。
化工资源有效利用国家重点实验室
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第一节
物理吸附与化学吸附
物理吸附与化学吸附的主要特征
物理吸附 化学吸附
作用力
吸附热 吸附速度 吸附温度 吸附层数 选择性 可逆性
范德华力
< 40 kJ/mol 吸附速率快，不需活化 接近气体的液化点 多层吸附 无选择性，吸附剂影响不大 可逆吸附
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第四节
吸附平衡
（1）吸附等温线
在恒定温度下，对应一定的吸附质压力，在催化剂表面上吸附 量是一定的，因此通过改变吸附质压力可以求出一系列吸附压 力-吸附量对应点，由这些点连成的线称为吸附等温线。对于 物理吸附，有5种类型的等温线。