催化剂在工艺中的作用

催化剂在化学工艺中的作用

化学化工学院09级5班杨兴平学号：200910240535

摘要：20世纪特别是下半叶以来，由于催化科学和技术的飞速发展，使得数以

百计的工业催化剂开发成功，而数量更多的催化剂，在深刻认识的基础上，得以更新换代。新型催化剂正日益广泛和深入地渗透于石油炼制工业、化学工业、高分子材料工业、生物化学工业、食品工业、医药工业以及环境保护工业的绝大部分工艺过程中，起着举足轻重的作用。本文对催化剂在化学工艺中的作用进行一下简单介绍。

关键词：催化剂的用途；化学工业；分类；制作方法；纳米催化剂；展望

一、催化剂概述：

(一) 定义

在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。

(二) 基本特性

①催化剂能够加快化学反应速率，但本身并不进入化学反应的计量。②催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。

③催化剂只能加速热力学上可能进行的反应，而不能加速热力学上不能进行的反应。④催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。⑤催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。(三) 用途

在化工生产、科学家实验和生命活动中，催化剂都大显身手。例如，硫酸生产中要用五氧化二钒作催化剂。由氮气跟氢气合成氨气，要用以铁为主的多分组催化剂，提高反应速率。在炼油厂，催化剂更是少不了，选用不同的催化剂，就可以得到不同品质的汽油、煤油。汽车尾气中含有害的一氧化碳和一氧化氮，利用铂等金属作催化剂可以迅速将二者转化为无害的二氧化碳和氮气。酶是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质，生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行，酿造业、制药业等都要用催化剂催作。

1、催化剂在无机化工中的作用

在生产基本无机化工原料的领域中，主要以三酸两碱为核心，它们的产量巨大，是重要的化工原料。其中的硫酸和硝酸分别被称为“化学工业之母和炸药工业之母”，它们在工业和国防部门，都具有重要的价值。

生产硫酸过程中，SO2转化为SO3所用的催化剂，最初是NO2，但设备庞

大，硫酸浓度低；1918年开发成功活性高、抗毒性好、价格低廉的钒催化剂，硫酸生产的产量、质量大幅度地提高，成本下降。

氨由氮和氢来合成。氮从空气中获取,而氢则来自含氢化合物，如水或烃类。不用催化剂来制备氢的方法有水电解法或重油部分氧化法等。由于这些方法的成本大，所以，自从天然气或石脑油水蒸气转化催化剂开发成功后，世界上现代大型氨厂，多采用技术先进、经济合理的烃类水蒸气转化法。若以天然气或石脑油为原料合成氨，整个过程由加氢、脱硫、转化、变换、甲烷化及氨合成等8个工序构成。每个工序都要使用催化剂

总之,合成氨工业能有今日，与催化剂领域的科学与技术进步密切相关。今后合成氨工业的革新也将有待于新的催化剂的发明和老催化剂的更新。如氨合成工业存在节能降耗的技术难题,希望能开发出低水碳比新型蒸汽转化催化剂；要实现“等压合成”新流程，多半要依赖于低温、低压、高活性的新型合成氨催化剂的研制成功等等。

2、在有机化工中的作用

有机化工的生产基本上是从三大起始原料(煤、石油和天然气)开始的，先由它们生产基础原料(三烯—乙烯、丙烯和丁二烯、三苯—苯、甲苯和二甲苯萘等)，然后进一步合成有用化学品、精细化学品和三大合成材料(合成树脂与塑料、合成橡胶及合成纤维)等。

首先，基础原料的生产----石油。最早的石油炼制，采用的是蒸馏等物理方法，将较轻的液态烃(如汽油、煤油和柴油)和气态烃从原油中分离。近代普遍发展了催化裂化、烷基化、加氢精制、加氢脱硫等新工艺，从而扩大轻油馏分的收率，并且提高了油产品的质量。特别是流化床催化裂化的开发，被称为是20世纪的一大工业革命，裂化催化剂在世界上应用最多、产量最高。从石油烃经过催化裂解可以制得上述的三烯。从支链或直链烃石油馏分，经催化重整，得到三苯等芳烃。它们都是重要的基础原料。

其次，基本有机合成以三烯、三苯等基础原料合成低分子有机化合物,它们是生产高分子化学品和精细化学品的重要原料。这类有机反应的共同特点是：反应速度慢和副产品多。所以要实现工业化，就必须成功开发出高活性、高选择性的催化剂。事实上,在基本有机化学品的生产过程中，无一不用到催化剂最后，三大合成材料生产。三大合成材料指合成树脂与塑料、合成橡胶及合成纤维，它们有着广泛的用途和巨大的经济价值。在这些聚合物材料的生产发展过程中，经历了两次质的飞跃：第一次是1953年，由于Ziegler-Natta型催化剂的问世，使乙烯的聚合反应压力从100~300MPa降至接近常压，继而又发展到丙烯的聚合。于是，一个以聚乙烯为主的合成材料新时代开始了；第二次是在20世纪90年代前后，由于出现了活性和选择性更高的全新一代的茂金属等新型聚烯烃催化剂，使聚合物产品的质量更高、品种更多。如高透明度、高纯度的间规聚丙烯、分子量分布极均的聚烯烃等，由此，人类被带到一个聚烯烃及其它塑料的新时代。

3、催化剂在精细化学中的作用

精细化学品是技术密集、品种多、产量小而附加值高的化工产品。近20年来，精细化学品工业的发展很快，目前已经有数百种产品，如各种助剂、表面活性剂、胶粘剂、药品、染料及催化剂等。几乎遍及国民经济和国防建设的各个部门，用途极为广泛。精细品生产的特点是:反应种类多，如加氢、氧化、酯化、环化、重排等；一种产品的生产包括的反应步骤多；产品结构复杂,纯度

要求高，使得生产流程长，等等。因此,精细化学品的生产，需要采用新的催化技术来克服上述缺点。据统计，日本在1975~1984年，向国外发表的催化剂专利中，用于精细品生产的催化剂所占的比例从7.8%上升到24.8%，增加了2.4倍。

二、催化剂的分类：

催化剂[1]种类繁多，按状态可分为液体催化剂和固体催化剂;按反应体系的相态分为均相催化剂和多相催化剂；均相催化剂有酸、碱、可溶性过渡金属化合物和过氧化物催化剂。多相催化剂有固体酸催化剂、有机碱催化剂、金属催化剂、金属氧化物催化剂、络合物催化剂、稀土催化剂、分子筛催化剂、生物催化剂、纳米催化剂等;按照反应类型又分为聚合、缩聚、接枝、酯化、缩醛化、加氢、脱氢、氧化、还原、烷基化、异构化等催化剂;按照作用大小还分为主催化剂和助催化剂。

三、催化剂的制作方法：

1.沉淀法

沉淀法的一般操作是在搅拌的情况下把碱性的物质加入金属盐类的水溶液中，再将生成的沉淀物洗涤、过滤、干燥和焙烧，制造出所需要的催化剂粉状前驱物。在特殊情况下，也可以用非水溶液，例如酸、碱或有机溶剂的溶液。

2.浸渍法

浸渍法是将载体放进含有活性物质（或连同助催化剂）的液体（或气体）中浸渍，达到浸渍平衡后，将剩余的液体除去，再进行干燥、焙烧、活化等与沉淀法相近的后处理。该法拥有以下有点。第一，可以用既成外形与尺寸的载体，省去催化剂成型的步骤。第二，可选择合适的载体，提供催化剂所需要的物理结构特征，比如表面积、孔半径、机械强度等。

3.热熔融法

热熔融法是制备某些催化剂的特殊方法，适用于少数不得不经过熔炼过程的催化剂，为的是借助高温条件将各个组分熔炼称为均匀分布的混合物，配合必要的后续加工，可制得性能优异的催化剂。这类催化剂常有高的强度、活性、热稳定性和很长的使用寿命。

4.离子交换法

离子交换反应发生在交换剂表面固定而有限的交换基团上，是化学计量的、可逆的、温和的过程。离子交换法借用离子交换剂作为载体，以阳离子的形式引入活性组分，制备高分散、大比表面积、均匀分布的附载型金属或金属离子催化剂。

5.混合法

根据被混合物料的物相不同，混合法可以分为干混和湿混两种类型。两者虽同属于多组分的机械混合，但设备有所区别。多种固体物料之间的干式混合，常用搅拌机、球磨机等设备，而液固相的湿式混合，多用捏合机、槽式混合器、轮碾机等，有时也用球磨机或胶体磨。也还有使用沉淀法浆料与载体粉料想混，称为混沉法的，在槽式沉淀反应器中进行。

四、纳米催化剂