01第一讲：工业催化剂的研制与开发
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工业催化剂的制造方法课件
测定催化剂的能带结构和光学性质，了解催化剂 的光学性能和电子结构。
核磁共振谱（NMR）
测定催化剂分子结构和化学环境，了解催化剂的 分子结构和化学键合情况。
CHAPTER
04
工业催化剂的应用实例
汽车尾气处理催化剂
尾气处理催化剂主要用于减少汽车尾气中的有 害物质，如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物 等。
尾气处理催化剂通常由贵金属（如铂、钯、铑 ）或其氧化物制成，以降低有害物质的排放。
尾气处理催化剂的制造方法包括溶胶-凝胶法、 沉淀法、化学气相沉积法等，这些方法能够确 保催化剂的活性、稳定性和耐久性。
石油工业中的裂化催化剂
01
裂化催化剂在石油工业中用于将重质油裂化为轻质油，如汽油 和柴油。
02
裂化催化剂通常由酸性组分（如硅酸铝、沸石）和活性组分（
如铂、钯、镍）组成。
裂化催化剂的制造方法包括混合法、浸渍法、热熔融法等，这
03
些方法能够确保催化剂具有较高的活性和选择性。
合成氨工业中的铁基催化剂
铁基催化剂是合成氨工业中常用的催化剂，用于将氮和氢转化为氨。
铁基催化剂通常由铁氧化物、铁硫化物或铁盐制成，以降低合成氨的反应 温度和压力。
铁基催化剂的制造方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、热解法等，这些方法 能够确保催化剂具有较高的活性和选择性，同时降低生产成本。
工业催化剂的发展历程
总结词
工业催化剂的发展经历了漫长的历程， 从最早的天然催化剂到现代的高效催化 剂，其发展与工业生产和科技进步密切 相关。
VS
详细描述
早期的天然催化剂如木炭、石头等被用于 酿酒、制醋等简单的化学反应。随着化学 工业的发展，人们开始研制具有更高活性 和选择性的工业催化剂，如铂、钯等金属 催化剂和硅酸铝、分子筛等非金属催化剂 。现代工业催化剂的应用领域更加广泛， 涉及石油化工、制药、环保等多个领域。
核磁共振谱（NMR）
测定催化剂分子结构和化学环境，了解催化剂的 分子结构和化学键合情况。
CHAPTER
04
工业催化剂的应用实例
汽车尾气处理催化剂
尾气处理催化剂主要用于减少汽车尾气中的有 害物质，如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物 等。
尾气处理催化剂通常由贵金属（如铂、钯、铑 ）或其氧化物制成，以降低有害物质的排放。
尾气处理催化剂的制造方法包括溶胶-凝胶法、 沉淀法、化学气相沉积法等，这些方法能够确 保催化剂的活性、稳定性和耐久性。
石油工业中的裂化催化剂
01
裂化催化剂在石油工业中用于将重质油裂化为轻质油，如汽油 和柴油。
02
裂化催化剂通常由酸性组分（如硅酸铝、沸石）和活性组分（
如铂、钯、镍）组成。
裂化催化剂的制造方法包括混合法、浸渍法、热熔融法等，这
03
些方法能够确保催化剂具有较高的活性和选择性。
合成氨工业中的铁基催化剂
铁基催化剂是合成氨工业中常用的催化剂，用于将氮和氢转化为氨。
铁基催化剂通常由铁氧化物、铁硫化物或铁盐制成，以降低合成氨的反应 温度和压力。
铁基催化剂的制造方法包括沉淀法、溶胶-凝胶法、热解法等，这些方法 能够确保催化剂具有较高的活性和选择性，同时降低生产成本。
工业催化剂的发展历程
总结词
工业催化剂的发展经历了漫长的历程， 从最早的天然催化剂到现代的高效催化 剂，其发展与工业生产和科技进步密切 相关。
VS
详细描述
早期的天然催化剂如木炭、石头等被用于 酿酒、制醋等简单的化学反应。随着化学 工业的发展，人们开始研制具有更高活性 和选择性的工业催化剂，如铂、钯等金属 催化剂和硅酸铝、分子筛等非金属催化剂 。现代工业催化剂的应用领域更加广泛， 涉及石油化工、制药、环保等多个领域。
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
18
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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化工资源有效利用国家重点实验室
19
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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化工资源有效利用国家重点实验室
15
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--第一章工业催化剂概述
– 新开发的产品中，采用催化的比例高于传统产品， 有机产品生产中的比例又高于无机产品。
• 据统计，20世纪70年代末，全球催化剂销售额 仅约10亿美元，而到1990年，已达60亿美元。
• 表1-1和表1-2是相关的统计数据。
• 目前，世界生产催化剂的主要大型企业约100 余家，主要分布在欧美国家。
工业催化
化工学院精细化工系 朱新宝 教授
◇ 主要教材：
工 业 催化
黄仲涛主编
化学工业出版社
主要参考教材
• 催化剂设计与制备工艺 许越主编 化学工业 出版社
• 催化剂生产原理 赵九生等编 科学出版社 • 工业催化基础 赵光等编著 哈尔滨工程大学
出版社 • 工业催化剂分析测试表征 刘希尧等编著
烃加工出版社 • 催化剂工程导论 王尚弟等著 化学工业出版社
• 有关催化剂的开发，目前已有程度不同的进展。
• 新型的合成燃料，包括甲醇等醇基燃料、甲基 叔丁基醚、二甲醚等醚基燃料以及合成汽油等 烃基燃料。
• 由异丁烯与甲醇经催化反应而制得的甲基叔丁 基醚(MTBE)是一种醚基燃料，兼作汽油的新 型抗爆添加剂，取代污染空气的四乙基铅。
• 由两分子甲醇催化脱水，或由合成气(CO＋H2) 一步催化合成，均可得二甲醚。
• 石油是当代工业的血液。石油工业的蓬勃兴起， 是第二次世界大战后世界经济繁荣的主要文柱 之一。1990年，世界原油产量为6031.7万桶／ 日。
• 早期的石油炼制工业，从原油中分离出较轻的 液态烃（汽油、煤油、柴油）和气态烃类作为 工业和交通的能源。
• 早期主要用蒸馏等物理方法，以非化学、非催 化过程为主。
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节
催化剂的寿命 催化剂的失活 催化剂的再生 催化剂的安全使用
• 据统计，20世纪70年代末，全球催化剂销售额 仅约10亿美元，而到1990年，已达60亿美元。
• 表1-1和表1-2是相关的统计数据。
• 目前，世界生产催化剂的主要大型企业约100 余家，主要分布在欧美国家。
工业催化
化工学院精细化工系 朱新宝 教授
◇ 主要教材：
工 业 催化
黄仲涛主编
化学工业出版社
主要参考教材
• 催化剂设计与制备工艺 许越主编 化学工业 出版社
• 催化剂生产原理 赵九生等编 科学出版社 • 工业催化基础 赵光等编著 哈尔滨工程大学
出版社 • 工业催化剂分析测试表征 刘希尧等编著
烃加工出版社 • 催化剂工程导论 王尚弟等著 化学工业出版社
• 有关催化剂的开发，目前已有程度不同的进展。
• 新型的合成燃料，包括甲醇等醇基燃料、甲基 叔丁基醚、二甲醚等醚基燃料以及合成汽油等 烃基燃料。
• 由异丁烯与甲醇经催化反应而制得的甲基叔丁 基醚(MTBE)是一种醚基燃料，兼作汽油的新 型抗爆添加剂，取代污染空气的四乙基铅。
• 由两分子甲醇催化脱水，或由合成气(CO＋H2) 一步催化合成，均可得二甲醚。
• 石油是当代工业的血液。石油工业的蓬勃兴起， 是第二次世界大战后世界经济繁荣的主要文柱 之一。1990年，世界原油产量为6031.7万桶／ 日。
• 早期的石油炼制工业，从原油中分离出较轻的 液态烃（汽油、煤油、柴油）和气态烃类作为 工业和交通的能源。
• 早期主要用蒸馏等物理方法，以非化学、非催 化过程为主。
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节
催化剂的寿命 催化剂的失活 催化剂的再生 催化剂的安全使用
工业催化剂的开发-1
◇ 1912年Carl Bosch的助手Alwin Mittasch 亦已开始了合成 1912年 Bosch的助手 的助手Alwin 氨催化剂的开发工作，为了寻找便宜而高效的合成氨催化剂， 氨催化剂的开发工作，为了寻找便宜而高效的合成氨催化剂， 他领导一个小组日以续夜地工作着。 1912年已经进行了 年已经进行了6500 他领导一个小组日以续夜地工作着。到1912年已经进行了6500 次试验（每次用24 48h）， 2500种催化剂组分进行了试验 24），对 种催化剂组分进行了试验， 次试验（每次用24-48h），对2500种催化剂组分进行了试验， 1919年评选试验超过一万次 作为催化剂组份的种类达4000 年评选试验超过一万次， 到1919年评选试验超过一万次，作为催化剂组份的种类达4000 多种，最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。 多种，最后选定了含铅镁促进剂的铁催化剂。
工业催化剂的开发可分为二个层次， 种类型 种类型： 工业催化剂的开发可分为二个层次，5种类型：
理论设计， 理论设计，实验验证性开发 1. 创造性开发 筛选实验性开发 偶然发现， 偶然发现，深入开发
对靶催化剂的改良开发 现有催化剂样品的剖析、改良） （现有催化剂样品的剖析、改良） 2. 改良性开发 对已知1909年11月 Mittasch的助手Wolf博士在一个实验柜中发现 的助手Wolf ◇ 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， Gallivare铁矿石 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， 产率达到了3% 而且能够长时间（十多个昼夜 3%， 十多个昼夜） 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 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， 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， 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， 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Al KOH和CaO是合成 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。 氨的良好催化剂，其组成与瑞士铁矿石十分相近。 ◇继Haber的锇、铀催化剂（未被工业所采用）之后，1910年未 Haber的锇、铀催化剂（未被工业所采用）之后，1910年未 的锇 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 多组分的铁催化剂终于诞生了， 要。
工业催化剂概述详解
第五十页，共57页。
酶的结构、性能与催化作用
酶是一种具有一定生理活性的功能蛋白质分子，具 有在温和条件下催化某些特定生物化学反应的能力。
酶的存在状态：游离型和结合型
游离型主要存在于细胞中，以游离状态生活于细胞质、 线粒体中；或分散于血液、淋巴液中。 结合型主要存在于细胞内部，并与细胞壁、细胞膜等 结合在一起。
二十世纪三十年代末发现聚乙烯（PE）， 1953年，K.Ziegler-Natta催化剂问世。
第六页，共57页。
成熟时期
如分子筛催化剂、匀相催化剂、酶催化剂 。代表性的为：手性催化等得到了蓬勃的 发展。
同时，现代表征手段技术的应用，为分析催 化反应机理，建立催化模型提供了帮助。
第七页，共57页。
2.催化剂在经济社会发展过程中的 作用与地位
第二十三页，共57页。
催化剂和催化作用
催化循环
AB
P
separation
第二十四页，共57页。
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
Nickel
Nickel
Nickel
Nickel
第一章工业催化剂概述ppt课件
第一页，共57页。
1.催化工业的形成与发展
二十世纪以前（萌芽时期） 二十世纪初 （奠基时期） 二十世纪30~60年代（大发展时期） 二十世纪70年代以后（成熟时期）
二十一世纪，催化工业重点：生物催化剂、环保催 化剂（废气排放控制）、燃料电池（能源生产）、 催化新材料等。
提高社会生产水平(合成氨）
酶的结构、性能与催化作用
酶是一种具有一定生理活性的功能蛋白质分子，具 有在温和条件下催化某些特定生物化学反应的能力。
酶的存在状态：游离型和结合型
游离型主要存在于细胞中，以游离状态生活于细胞质、 线粒体中；或分散于血液、淋巴液中。 结合型主要存在于细胞内部，并与细胞壁、细胞膜等 结合在一起。
二十世纪三十年代末发现聚乙烯（PE）， 1953年，K.Ziegler-Natta催化剂问世。
第六页，共57页。
成熟时期
如分子筛催化剂、匀相催化剂、酶催化剂 。代表性的为：手性催化等得到了蓬勃的 发展。
同时，现代表征手段技术的应用，为分析催 化反应机理，建立催化模型提供了帮助。
第七页，共57页。
2.催化剂在经济社会发展过程中的 作用与地位
第二十三页，共57页。
催化剂和催化作用
催化循环
AB
P
separation
第二十四页，共57页。
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
Nickel
Nickel
Nickel
Nickel
第一章工业催化剂概述ppt课件
第一页，共57页。
1.催化工业的形成与发展
二十世纪以前（萌芽时期） 二十世纪初 （奠基时期） 二十世纪30~60年代（大发展时期） 二十世纪70年代以后（成熟时期）
二十一世纪，催化工业重点：生物催化剂、环保催 化剂（废气排放控制）、燃料电池（能源生产）、 催化新材料等。
提高社会生产水平(合成氨）
工业催化剂的制备过程与使用
28
超均匀共沉淀法制备的硅酸镍催化剂与由氢氧化镍和硅胶 混合得到的催化剂，其结构和催化性能不同：
→ 电子显微镜和X射线分析表明，超均匀共沉淀物为无定 型极微细的匀相物，是多核金属氧化物的水凝胶。
→ 超均匀共沉淀法制备的催化剂在氢气中加热到500℃时 对苯核加氢呈现高的选择性，没有断裂C－C键的能力； 混合法制备的催化剂正好相反。
10
长大：
形成晶核后，溶质在晶核上不断地沉积，晶粒不断长大。 晶粒长大过程相似于化学反应的传质过程，分两步： → 溶质分子向晶粒的扩散过程； → 溶质分子在晶粒表面的沉淀反应过程。
老化： 当溶液的过饱和度很大使聚集速率较快时，分子可能来
不及有序地排列，从而生成非晶态粒子，在沉淀物老化中再 逐渐地转变为有序排列的晶体。沉淀与老化的概念不相同， 老化是沉淀中的关键步骤。
工业催化剂的制备过程与 使用
1
催化剂性能 • 催化剂是催化工艺的灵魂，它决定着催化工艺的水平及创
新程度。 • 催化剂的化学成分不足以推知其催化性能。工业催化剂的
活性、选择性和稳定性不仅取决于它的化学组成，也和物 理性质有关。 • 催化剂的物理特性，如形状、颗粒大小、物相、比重、比 表面积、孔结构和机械强度等，都会影响它对某一特定反 应的催化性能，影响到反应动力学和流体力学的行为。
通过活化处理使基体转变为符合最终组成和结构要求的 催化剂。
催化剂的制备方法很多。由于制备方法的不同，尽管原料用 量完全一样，但所制得的催化剂性能可能有很大的差异。 因此，必须慎重选择制造方法，并严格控制。
4
第一节 工业催化剂的制备
催化剂的制备方法可粗分为干法与湿法。 干法：
热熔法 混碾法 喷除法 湿法： 沉淀法(共沉淀法，均匀共沉淀法和超均匀沉淀法) 浸渍法 胶凝法 离子交换法 沥滤法
超均匀共沉淀法制备的硅酸镍催化剂与由氢氧化镍和硅胶 混合得到的催化剂，其结构和催化性能不同：
→ 电子显微镜和X射线分析表明，超均匀共沉淀物为无定 型极微细的匀相物，是多核金属氧化物的水凝胶。
→ 超均匀共沉淀法制备的催化剂在氢气中加热到500℃时 对苯核加氢呈现高的选择性，没有断裂C－C键的能力； 混合法制备的催化剂正好相反。
10
长大：
形成晶核后，溶质在晶核上不断地沉积，晶粒不断长大。 晶粒长大过程相似于化学反应的传质过程，分两步： → 溶质分子向晶粒的扩散过程； → 溶质分子在晶粒表面的沉淀反应过程。
老化： 当溶液的过饱和度很大使聚集速率较快时，分子可能来
不及有序地排列，从而生成非晶态粒子，在沉淀物老化中再 逐渐地转变为有序排列的晶体。沉淀与老化的概念不相同， 老化是沉淀中的关键步骤。
工业催化剂的制备过程与 使用
1
催化剂性能 • 催化剂是催化工艺的灵魂，它决定着催化工艺的水平及创
新程度。 • 催化剂的化学成分不足以推知其催化性能。工业催化剂的
活性、选择性和稳定性不仅取决于它的化学组成，也和物 理性质有关。 • 催化剂的物理特性，如形状、颗粒大小、物相、比重、比 表面积、孔结构和机械强度等，都会影响它对某一特定反 应的催化性能，影响到反应动力学和流体力学的行为。
通过活化处理使基体转变为符合最终组成和结构要求的 催化剂。
催化剂的制备方法很多。由于制备方法的不同，尽管原料用 量完全一样，但所制得的催化剂性能可能有很大的差异。 因此，必须慎重选择制造方法，并严格控制。
4
第一节 工业催化剂的制备
催化剂的制备方法可粗分为干法与湿法。 干法：
热熔法 混碾法 喷除法 湿法： 沉淀法(共沉淀法，均匀共沉淀法和超均匀沉淀法) 浸渍法 胶凝法 离子交换法 沥滤法
工业催化剂制备及使用
PH
10.5
8.6
6.8
6.7
5.5
氢氧化物
Cu(OH)2
Cr(OH)3
Zn(OH)2
Al(OH)2
Fe(OH)3
PH
5.3
5.3
5.2
4.1
2.0
温度、浓度值、PH对沉淀过程的影响
[4] 加料顺序的影响 顺加：沉淀剂→金属盐溶液中 （由于几种盐沉淀所需要的溶度积不同——易发生先 后沉淀现象—不利，应尽量避免） 逆加：金属盐溶液→沉淀剂中 （由于pH值总在变化—操作不稳定——应尽量避免） 并加：金属盐溶液+沉淀剂同时按比例加入
●盐类沉淀剂→原则上形成晶形沉淀 ●碱类沉淀剂→形成非晶形沉淀 （c）沉淀剂溶解度要大 优点：
（1）可以使金属离子沉淀完全（∵阴离子浓度高）
（2）被沉淀物吸附的量少→洗涤时容易
（d）形成的沉淀物溶解度要小 可保证沉淀反应进行完全（对贵金属更重要） （e）沉淀剂要无毒、要环保 3. 影响沉淀的因素 [1] 浓度的影响（因为浓度影响速率、速率影响晶体性质）
1050 C 1200 C
焙烧过程特点：是吸热反应 ∴ T↗，有利 于焙烧过程 P（或分压）↘，有利分解 通常在略高于cat.使用温度范围的T下进行。
焙烧温度对平均孔径有影响
（4）成型 形状的影响：
（1）对流体流动、流速有影响
（2）对催化剂内的传热有影响（影响温度分布） （3）对催化剂的内部传质有影响（影响浓度分布） （4）反应器内的流动阻力（压降）有影响 （5）对催化剂的反应结果有影响（影响宏观选择性） （6）对催化剂的机械强度等有影响
浓度影响速率r（r晶核、r长大）
速度：（1）晶核生成速率 N生=k(c-c*)3~4 （2）晶核长大速率 N扩散=k’(c-c界) N表面反应=k’’(c-c*)1~2 扩算还是表面反应控制取决于具体情况 扩散控制取决于湍动情况（搅拌状况）。 表面反应情况取决于温度和浓度。
第4章 工业催化剂的开发
中型试验受影响的因素
2、设备的放大效应 随着催化剂制备规模由小试而中试，再由中试而工业化大生产， 设备逐步增容，构造还可能变化，由此而带来制品质量的种种 差异，可称之为设备的放大效应。 最直观的影响是扩容带来传热、传质的不均，而使产品质 量下降，并且更难精确控制。 这是负面效应的一种； 但某些设备放大时，也可能产生相反的正面效应， 要具体分析和区别对待。
通过参考工业样品的剖析，往往能为催化剂的设计提供更具 体、更直接的参考信息。 特别是那些经过长期工业实践证明其优异综合性能的催化 剂，更是如此。 剖析并不一定是为了仿制，相反，只有独具特色的催化剂开 发成果，方能形成专利技术。 专利形成的前提之一，是能够“绕开”现有专利，具有新 颖性、实用性以及时效性。
三、配方筛选
配方筛选是催化剂的实验室研究工作中最关键也是最浩繁的 部分。 综合文献资料、剖析报告以及有关基础研究中获得的多方 面信息，对催化剂的配方设计有一些明确的概念，可进入 新催化剂开发中的制备和配方筛选阶段。 目前虽已提出催化剂设计的概念，但在大多数情况下，仍 然不能完全摆脱经验或半经验的办法，更不能完全取消配 复地、耐心地修改调整，使往往相互矛 盾的催化剂各项性能间能够达到巧妙而和谐的平衡。 制备某1～2项性能指标满意的催化剂都不容易，要制备各项性 能兼优的催化剂就更难。 整个过程中局部的失败、返工，甚至设计思路的重新调整， 都是可能发生的。 这些都是对研究者技术素质和意志力的考验。 最后选定的少数几个优秀配方，要进行多次重复性的制备和评 价测试。 催化剂制备一般要易人进行，检验样品可复制性。
第四章 工业催化剂的开发
第一节 概述
第二节 实验室工作
第三节 扩大试验
《工业催化剂设计及开发》课程教学大纲
《工业催化剂设计及开发》教学大纲
一、课程基本信息
课程名称
工业催化剂设计及开发
Design and Development of Industrial Catalysts
课程编码
CHM120621010
开课院部
化学工程学院
课程团队
工业催化剂设计与开发教学团队
学分
1.0
课内学时
16
讲授
16
实验
0
上机
0
实践
M1
2
讲授
2
自学/其他
11
3.4
3.4工业催化剂的放大效应
工业催化剂制备原料及制备工艺的选择；工业催化剂开发过程中的不同规模放大效应。
M1
1
讲授
1
自学/其他
12
第4章
第4章典型石油化工过程催化剂开发实例
本章重点难点：各类工艺过程反应原理、催化剂设计。
/
/
/
/
13
4.1
4.1烃类水蒸气转化制氢催化剂设计与开发过程
3
图书|《石油炼制工程》,徐春明，扬朝合,石油工业出版社, 2009, ISBN:978-7-5021-16986-2.
4
图书|《催化剂基础及应用》,季生福，张谦温，张彬侠,化学工业出版社, 2011, ISBN:978-7-122-11215-6.
30%
A-独立思考、按时完成，流程图画图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，流程图画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，流程题画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，流程题画图不规范，解题思路混乱。
一、课程基本信息
课程名称
工业催化剂设计及开发
Design and Development of Industrial Catalysts
课程编码
CHM120621010
开课院部
化学工程学院
课程团队
工业催化剂设计与开发教学团队
学分
1.0
课内学时
16
讲授
16
实验
0
上机
0
实践
M1
2
讲授
2
自学/其他
11
3.4
3.4工业催化剂的放大效应
工业催化剂制备原料及制备工艺的选择；工业催化剂开发过程中的不同规模放大效应。
M1
1
讲授
1
自学/其他
12
第4章
第4章典型石油化工过程催化剂开发实例
本章重点难点：各类工艺过程反应原理、催化剂设计。
/
/
/
/
13
4.1
4.1烃类水蒸气转化制氢催化剂设计与开发过程
3
图书|《石油炼制工程》,徐春明，扬朝合,石油工业出版社, 2009, ISBN:978-7-5021-16986-2.
4
图书|《催化剂基础及应用》,季生福，张谦温，张彬侠,化学工业出版社, 2011, ISBN:978-7-122-11215-6.
30%
A-独立思考、按时完成，流程图画图规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确。B-独立思考、按时完成，流程图画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确。C-独立思考、按时完成，流程题画图比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式比较合理、答案准确。D-作业抄袭，未能按时完成，流程题画图不规范，解题思路混乱。
工业催化催化剂课件
制造过程的考量
催化剂的制造过程应尽量简单、经济、环保，且应考虑到大规模生产的需求。设计的催化剂应易于制造 、安装和维护，同时应尽量减少对环境的影响。
催化剂制备的主要流程
配料制备
物理化学处理
性能测试与优化
配料制备是催化剂制备的第一 步，主要包括选择和制备催化 剂的活性成分，以及确定各成 分的比例。此外，还需考虑助 剂和载体的选择与制备。
在配料制备完成后，需要对催 化剂进行物理化学处理，包括 干燥、焙烧、还原等步骤，以 调整其物理化学性质，如比表 面积、孔结构等。
在制备完成后，需要对催化剂 进行性能测试，包括活性测试 、选择性测试等，以评估其对 于特定反应的性能。根据测试 结果，可以对催化剂进行进一 步优化或调整。
催化剂制备的优化方法
01
02
03
提高生产效率
通过使用催化剂，化学反 应可以在更短的时间内完 成，从而提高生产效率。
降低能耗
催化剂可以降低化学反应 的活化能，使得反应可以 在较低的温度和压力下进 行，从而降低能耗。
提高产品质量
通过使用催化剂，可以控 制化学反应的产物分布， 从而提高产品的质量和纯 度。
工业催化催化剂的历史与发展
纳米结构催化剂
研究纳米结构对催化剂性能的影响，开发出 具有高活性和高稳定性的纳米催化剂。
金属有机骨架（MOFs）催 化剂
利用MOFs材料的可调性和多孔性，制备出高效、 稳定的MOFs催化剂。
生物催化剂
利用生物资源，探索生物催化剂在工业催化 领域的应用潜力。
催化剂性能的提升
活性提升
01
通过优化催化剂的组成和结构，提高催化剂的活性和
02
CATALOGUE
工业催化催化剂的设计与制备
催化剂的制造过程应尽量简单、经济、环保，且应考虑到大规模生产的需求。设计的催化剂应易于制造 、安装和维护，同时应尽量减少对环境的影响。
催化剂制备的主要流程
配料制备
物理化学处理
性能测试与优化
配料制备是催化剂制备的第一 步，主要包括选择和制备催化 剂的活性成分，以及确定各成 分的比例。此外，还需考虑助 剂和载体的选择与制备。
在配料制备完成后，需要对催 化剂进行物理化学处理，包括 干燥、焙烧、还原等步骤，以 调整其物理化学性质，如比表 面积、孔结构等。
在制备完成后，需要对催化剂 进行性能测试，包括活性测试 、选择性测试等，以评估其对 于特定反应的性能。根据测试 结果，可以对催化剂进行进一 步优化或调整。
催化剂制备的优化方法
01
02
03
提高生产效率
通过使用催化剂，化学反 应可以在更短的时间内完 成，从而提高生产效率。
降低能耗
催化剂可以降低化学反应 的活化能，使得反应可以 在较低的温度和压力下进 行，从而降低能耗。
提高产品质量
通过使用催化剂，可以控 制化学反应的产物分布， 从而提高产品的质量和纯 度。
工业催化催化剂的历史与发展
纳米结构催化剂
研究纳米结构对催化剂性能的影响，开发出 具有高活性和高稳定性的纳米催化剂。
金属有机骨架（MOFs）催 化剂
利用MOFs材料的可调性和多孔性，制备出高效、 稳定的MOFs催化剂。
生物催化剂
利用生物资源，探索生物催化剂在工业催化 领域的应用潜力。
催化剂性能的提升
活性提升
01
通过优化催化剂的组成和结构，提高催化剂的活性和
02
CATALOGUE
工业催化催化剂的设计与制备
催化剂制备方法和工业催化剂研制
合成甲醇 CuO-ZnO-Al2O3
均匀沉淀法
金属盐溶液与沉淀剂充分混合后，逐渐改变 条件得到颗粒均匀、纯净的沉淀物
尿素调节碱性
(NH2)2CO + 3H2O
2NH4+ + 2OH- + CO2
加热到90-100 0C尿 素，同时释放出OH-
导晶沉淀法
借助晶化导向剂引导非晶型沉淀转化为晶型 沉淀
Al2O3/SiO2催化裂化生产汽油
均相反应配合物催化剂（精细化学品、聚合）
茂金属络合物生产聚乙烯
酶催化剂（生物化工）
固体催化剂的构成
载体（Al2O3 ） 主催化剂（合成NH3中的Fe） 助催化剂（合成NH3中的K2O） 共催化剂（石油裂解SiO2-Al2O3）
催化剂制备的要点
多种化学组成的匹配
沉淀的干燥焙烧活化
干燥（除去湿沉淀中的洗涤液） 焙烧（热分解除去挥发性物质，或发生固态 反应，微晶适度烧结） 活化（在一定气氛下处理使金属价态发生变 化）
实例一 分子筛的合成
水玻璃 硫酸铝 偏铝酸钠 氢氧化钠
NaY原粉 成胶 晶化 过 滤 洗 涤 干燥 Na型 丝光 沸石
混合
浸渍法
将载体放进含有活性物质的液体中浸渍
载体（如Al2O3）的沉淀 洗涤干燥 载体的成型 用活性组份浸渍 干燥 焙烧分解 活化还原
负载型金属催化剂
浸渍法的原理
活性组份在载体表面上的吸附 毛细管压力使液体渗透到载体空隙内部 提高浸渍量（可抽真空或提高浸渍液温度） 活性组份在载体上的不均匀分布
浸渍法的优点
可用已成型的载体（如氧化铝，氧化硅，活 性炭，浮石，活性白土等） 负载组份利用率高，用量少（如贵金属）
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近年来指导了新型分子筛、非晶态合金、杂多酸等催化材 料以及磁稳定流化床、催化蒸馏等反应工程等导向性基础 研究和开拓性探索，已申请40多项专利，有的已工业化， 其中突出的有高裂化活性、高稳定性的ZRP-1分子筛，评 为1995年国家十大科技成就之一。此外，在固体酸烷基化、 非晶态合金、新型催化蒸馏的研究中均有突破。1997年起， 担任国家自然科学基金委员会“环境友好石油化工催化化 学和反应工程”重大基础研究的项目主持人。1978年获 “在全国科学技术工作中作出重大贡献的先进工作者”称 号，1989年和1995年被评为国务院全国先进工作者，1989 年被美国俄亥俄州立大学授予杰出校友奖，1994年获中国 石化科技奖，1995年获1994年何梁何利基金科学技术奖。 1997年获科协“全国优秀科技工作者”称号，1998年获日 本桥口隆吉基金奖。同时，还培养了一批从事石油炼制催 化剂的专业人才，培养了30余名硕士、博士和博士后。
16
催化技术—石化工业的基石
机动车燃料 农药化肥等 食品、日用化学品 织物、包装材料 建筑、工程材料 药物保健用品…
石油 煤 天燃气 等
催化剂为 核心的加 工过程
可再生植物资源
没有催化剂，就不可能建立近代的化学工业！
17
催化技术与新能源
• • • • • • • • 煤 天然气 生物质 油砂和油页岩物质 太阳能 风能 氢能 。。。。。。。
催化剂与催化作用概念
• 1835年，Berzelius提出“催化力（catalytic force)”, “催化作用（Catalysis)” • 1902年，Ostwald,“催化剂是能改变化学反应而 并不参加到最终产物中去的任何物质” • 德国科学家Mitscherlich 提出“接触作用 （contact acting)”, • 1920，P.sabatier,“催化不过是某写物质引起加 速反应的机制，这些物质本身并不进行不可逆 的变化。”
8
课程特点和上课方式
1） 对工业催化剂的研制有所了解：从文 献开始、到工业应用的研发过程；
2） 通过教师主讲与学生自学、讨论和启
发相结合的方式，以掌握工业催化剂研
制中的科研方法。
9
课程内容
• • • • • • • • • • • • • 第一讲：工业催化剂 第二讲：催化剂工厂建设（二节） 第三讲：催化剂新品种开发与工厂技术改造 第四讲：催化剂制备规律的应用基础研究 第五讲：国内外石化催化技术创新的历史经验 第六讲：加强导向性基础研究，开发独特先进的 石化催化技术 第七讲：石化催化技术突破的途径 第八讲：新兴催化材料(上） 第九讲：新兴催化材料(下） 第十讲：化工过程强化 第十一讲：绿色化学的新进展 第十二讲：组合化学—开发原创技术的希望 第十三讲：技术商品化与技术转让
• 环境保护
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催化技术的新成就（续）
• 分子筛
– – – – – – – – – 用非铝沸石和MCM-22生产乙苯和异丙苯 LPG转化为芳烃的高收率催化剂 用H2O2选择氧化的钛硅催化剂 生产二甲胺的择性沸石催化剂 异丁烯用NH3直接胺化 2，6二甲基萘的生产 用非沸石分子筛进行润滑油脱蜡 用含铁催化剂进行正丁烯异构化 环己酮固体酸催化转化为己内酰胺
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课程目的
• 对工业催化剂的研制建立基本的认识 • 了解我国石化催化技术发展历史
• 学习催化前辈们研究开发催化剂的经验和教训
• 掌握石化催化技术研究开发的指导思想和方法 • 了解基础研究的重要性，树立创新意识 • 了解催化研究的最新发展动向，拓宽视野
11
不同立场不同观点
• 工业催化剂的使用者？ • 工业催化剂的制造者？ • 工业催化剂的研究者？
– – – – – – – – – – 丁二烯汽相环氧化生产3,4-环氧基丁烯-1 由乙烯、甲醇生产醋酸 移动床由丁烷和氧直接氧化生产顺酐 由异丁烯和甲醛生产棱檬醛 有不饱和羧酸加氢制醛制造环乙醇的高选择性工艺 用天然气生产不含S，N燃料 生产HCFC作为CFCs的替代品 催化分解NxO; 用钯催化剂进行汽车尾气处理 用氧化铈催化剂处理柴油发动机尾气
2
2006年承担课题： 1、利用FCC分馏系统生产清洁燃料的化学与工艺 (有机/无机强酸复合材料的研究) 2、DDE工艺的工业应用 3、与FCC集成的ETE工艺
3
课程的由来
• 80年闵恩泽院士为催化剂专业研究生开设 一门选修课程 • 95年闵院士整理成书，97年出版
• 近年补充、完善，主要增加技术创新内容
降低物耗、能 耗新工艺
环境友好 工艺过程
环境友好产 品开发
环境治理技术 开发新工艺
催化技术
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催化剂的工业应用
• 基础无机化工催化剂（三酸两碱）
硫酸 化学工业之母， 硝酸 “炸药工业之母”
• • • • • • •
化肥催化剂（合成氨及合成甲醇） 石油炼制及合成燃料 基本有机化学品合成 三大合成材料 精细化工及专用化学品 环境保护 生物化工
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催化技术与环境保护
地球温暖化 开发新技术 、采用清洁 能源，减少 CO2排放 酸雨、化学酸雾 采用深度化学或 生物脱硫氮技术 ，减少 SO2 等有 害气体排放
臭氧空洞问题
开发氟氯烃 替代产品， 保护大气臭 氧层
淡水海洋污染 减少有害有毒 物质的使用和 排放，保护水 资源
生活环境恶化 减少三废排放 ，开发自然降 解产品，保护 生活环境
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瑞典化学家Berzelius（1779-1848）
31
• 1976年IUPAC定义：“催化作用是一种 化学作用，是靠用量极少而本身不被消 耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速 化学反应的现象。” • 催化是加速反应速度、控制反应方向或 产物构成，而不影响化学平衡的一类作 用。起这种作用的物质称为催化剂，它 不在主反应的化学计量式中反应出来， 即在反应中不被消耗。
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催化技术发展的新机遇
• The wider use of oxygen as a selective oxidant • Greater focus on energy efficiency within catalysis • Use of alternative or renewable feedstocks • Catalysis for waste water treatment • Alkane activation for commodity chemicals • Wider use of nature gas as a feedstocks • Enantioselectivity catalysis • Photocatalysis with visible light • By-production elimination and waste minisation • Greater use of enzymes in chemical processing29
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催化技术的新贡献
• Raw material costs can be reduced by coming up with new reaction pathways • The number of steps in a process can be reduced • The operating temperature and pressure can be reduced • Yield,conversion and selectivity can be improved • Recycle efficiencies can be improved • Material recovery can be improved
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石油化工过程催化发展简史
• 1930年代：美国开始在得州开采石油，丙烯水 合制异丙醇开创了石油化工的历史 • 1945年：二战爆发，燃油需求推动石油化工的 发展 • 1960年代：美国SoHio公司开发了丙烯氨氧化 生产丙烯腈的钼酸盐催化剂 • 1970年代：Monsanto公司的甲醇羰基化合成醋 酸，引起C1化学的兴起
世界催化市场
年份 1997 合计 74 化工 27% 25% 环保 22% 23% 炼油 28% 26% 聚合 23% 26%
2003 90 （估计）
2003年催化剂产值100亿美元，附加值100倍，占全球GTP20%-30%
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世界著名催化剂公司
• • • • • • • BASF Catalysts Degussa catalysts Engelhard Sud-chemie Davison catalysts OMG Johnson Matthey
26
Forum on Future direction in Catalysis • • • •
Catalysis Today, Korea Are the golden days of catalysis pass over？ Will manufacturing be pushed aside by information technology? Do manufacturing and chemically related industries have a future? Where is catalysis headed in the 21th century?
4
本书作者 闵恩泽院士 简介
5
闵恩泽院士
6
闵恩泽 石油化工催化剂专家。
1924年 2月 4日生于四川省成都。 1951 年获美国俄亥俄州立 大学化学工程系博士学位。1955年回国。现任中国石油化工 集团公司石油化工科学研究院学术委员会主任及该公司科学 技术委员会委员。 1980年当选中国科学院院士。 1994年选聘 为中国工程院院士。1993年当选为第三世界科学院院士。第 三届至第八届全国人民代表大会代表。主要从事炼油催化剂 研制开发工作。60年代在磷酸叠合催化剂、铂重整催化剂、 小球硅铝裂化催化剂、微球硅铝裂化催化剂等的研制和工业 化中起了重要作用，为我国石油炼制催化剂的制造奠定了基 础。70年代领导研制了渣油裂化催化剂、分子筛裂化催化剂、 一氧化碳助燃剂以及钼镍磷加氢催化剂等，推广应用后，获 7 得巨大经济效益，其中前三项获国家科技进步奖一、二等奖。