第一章工业催化剂概述

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炼油 石油化工 环保 聚合 精细化工中间体
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炼油 化工 环保 聚合
4.催化技术研究和应用内容
❖ 更新原料路线，采用更廉价的原料（资源有 效利用）
❖ 革新工艺流程，促进新工艺过程的开发（发 展绿色清洁化工生产技术，走可持续发展的 道路）
❖ 缓和工艺操作条件，达到节能降耗的目的（ 节能）
Nickel
Nickel
Nickel
Nickel
Nickel
Adsorption – Surface Reaction – Desorption
催化剂作用的基本特征
❖ 催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反 应
❖ 催化剂只能改变化学反应速度，而不能改变 化学平衡的位置
❖ 催化剂对反应具有选择性 ❖ 催化剂具有寿命
❖ 开发新产品，提高产品的收率，改善产品的 质量（开发新产品）
❖ 消除环境污染（环境保护）
❖ 催化剂和催化作用 ❖ 催化剂作用基本特征 ❖ 催化剂分类 ❖ 催化剂化学组成和物理结构 ❖ 多相、均相和酶催化的功能特点
催化剂和催化作用
❖1835年， Berzelius首先提出“催化作 用”概念。
❖1902年，W.Ostwald 定义催化作用： “加速反应而不影响化学平衡的作用”
❖ 催化剂是一种物质，它能加速反应的速率 而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化 。
催化剂和催化作用
❖ 催化循环
AB
P
separation
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
不同时期全球催化剂销售额
1975年8.2亿
140
1980年11.9亿
120
1985年25.08亿
100
1990年59.84亿 1995年85亿
销售额/ 80 亿元 60
1996年90亿
40
2000年100亿
20
2001年105亿
0 1975
1985
1995
2000
2007
2007年135亿
年份
3.催化剂市场
合成氨
❖ N2+3H2→3NH3 ❖ 催化剂：Fe-Al2O3-K2O ❖ 每吨催化剂可产2万吨氨 ❖ N2来源：空气分离 ❖ H2来源: 烃类水蒸气转化法。 ❖ 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、变
换、甲烷化、氨合成。需用八种不同催化剂
石油
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
煤
天然气
合成气
精细化工
❖ 产量小附加值高 ❖ 医药、农药、染料、 香料、涂料、各种 助剂、合成材料等。
NH*+H*→NH2*
NH2*+H*→NH3+*
❖ 在500℃时，合成氨E非催= 334.6KJ/mol，E催=70 KJ/mol
❖ r催/r非催=E催/ E非催= 3×1013 ❖ 每吨Fe催化剂能生产2万吨氨
催化剂为什么会加快反应速度？
E非催334.6KJ/mol 1降低了反应活化
活 化
能
能
2改变了反应历程
E催 70KJ/mol
反应
催化剂的基本特征
❖ 催化剂只能改变化学反应速度，而不能改变 化学平衡的位置 Kr=ka/kd Kr不变，则ka、kd同时变化 催化剂不改变化学平衡，因此对正方向有效 的催化剂，对反方向反应也有效。
❖ 市场地域结构
美国是全球
最大催化剂市 场，约占全球 销售额的 36.4%，欧洲 国家为28%， 日本为12.2% ，其它亚洲和 中南美洲国家 约占23.4%。
催化剂市场地域分布 美国 西欧 日本 其它
3.催化剂市场
❖ 市场的需求结构
2004年催化剂市场需求结构
10
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22
2007年催化剂市场需求结构
萌芽时期
❖ 1835年，Berzelius首 先提出“催化作用”
❖ 1875年耶可布（ Cjacob）建立了以Pt 为催化剂的接触法生 产硫酸的工业方法， 是化学工业的重要进 步。
JJ Berzelius J
奠基时期
❖ 1907年油脂加氢 生产硬化油，为 近代有机工业的 先河。 （法国 Scbatier 1912年获 诺贝尔化学奖 ）
第一章 工业催化剂概述
催化工业的形成和发展 催化剂在经济上的地位和作用 催化剂市场 催化技术研究和应用内容 若干术语和基本概念
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、
催化剂的基本特征
❖ 催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反 应 △G<0 A→B r=kCA k=k0exp(-E/RT) r~k~E
催化剂的基本特征
非催化： A+B→AB
催化剂C: A+C→AC
AC+B→AB+C
A+B→AB
合成氨： N2+H2→NH3
Fe催化剂：N2+*→2N* H2+* → 2H * N*+H*→NH*
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。
萌芽时期
❖ 几千年前（殷商）发酵法——酒 、醋
❖ 1746年J.Roebuck 铅室法制硫酸 ，用NO2作气相催化剂，实现了 第一个现代工业催化过程。
❖ 1811年，俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用，热的淀 粉水溶液中添加盐酸时促进淀粉 水解生成糖。
❖ 文献：催化剂是一种能够改变化学反应 速度，而它本身又不参与最终产物的物 质。
催化剂（Catalyst）
❖ IUPAC于1976年提出的催化作用的定义 ：
❖ 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。
❖ IUPAC于1981年提出的催化剂的定义：
满足社会各方面需要
❖ 衣、食、住、行
2.催化剂在经济社会发展过程中的作 用与地位
❖ 据统计，现有90%以上的化工过程是采 用催化剂进行生产的。借助于催化剂生 产的产品总值在全世界工业生产总值中 约占18%，仅低于机械产品的总值。
工业催化与相关学科的关系
3.催化剂市场
❖ 全球催化剂销售额 （美元）
❖ 1904开始德国化 学家Haber研究合 成氨催化剂，（ 1918年获诺贝尔
大发展时期
大发展时期
成熟时期
2.催化剂在经济社会发展过程中的作 用与地位
❖ 提高社会生产水平(合成氨） ❖扩大资源利用范围（石油、煤、 天然
气、合成气）
❖ 提取制造重要物质（精细化工）
❖ 满足社会各方面需要（衣、食、住、行 、环保、国防）