第一讲工业催化剂的研制讲义与开发
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《工业催化基础》课件(第1章 绪论)2014-1
5、接触时间
指单位量的反应物料（体积或质量），在反应中通过单位量 催化剂（体积或质量）所用的时间。通常接触时间有两种计 算方法： • 空速的倒数 • 催化剂床层高度除以反应物料的线速度
精品课件
化工资源有效利用国家重点实验室
第三节 工业催化的常用术语
6、活性位
指催化剂中真正起催化作用的那些部位，通常也称为活性中心。 催化剂的活性位在不同的催化剂中是不一样的，它可以是一个质 子、固体表面的不饱和的原子、表面原子簇（cluster）、配位络 合物、蛋白质上的胶束囊（supermolecular pocket）等。在催 化反应中，反应物或中间物能吸附在它上面。
3、收率（Yield）
指给定反应产物的生成量和原料中某一组分加入量之比。如上述 反应中产物B的收率（Y）可表示为：
Y(%) B 100% A0
此式表明收率是转化率和选择性的乘积，一个催化剂只有同时具 有高转化率和高选择性，才具有高的活性。
另外，工业催化剂常以给定条件下(温度、压力、进料组成、进料 空速均一定)单位时间内，单位体积或单位质量催化剂所得产物的 量，即时空收率来表示。因为时空收率乘上反应器填装的催化剂 体积或质量，就能直接给出单位时间内生产的产物的量，或直接 给出完成一定的生产任务所需催化剂的体积或质量，所以时空收 率在生产和设计中使用起来很方便。
环境催化：指利用催化剂控制环境不能接收的化合物排放的化学过程，同时也 包括那些应用催化剂生产少污染的产物，以及能减少废物和无副产污染物的绿 色化学新过程。也就是说，应用催化剂可以将排放出的污染物转化成无害物质， 或者回收加以重新利用。可以在生产过程中尽可能地减少污染物的排放量，以 及无污染排放，并且用新的催化工艺制备化学品，取代对环境有害的物质，从 根本上解决环境污染问题。这些方面催化剂起着关键的作用，如SO2和NOx的 催化消除；机动车尾气的催化净化；工业有机废气的催化治理；室内空气污染 物的催化净化；水中有机污染物的催化治理；固体废气物的资源化和综合利用； CO2的回收、固定和再利用等。 精品课件
指单位量的反应物料（体积或质量），在反应中通过单位量 催化剂（体积或质量）所用的时间。通常接触时间有两种计 算方法： • 空速的倒数 • 催化剂床层高度除以反应物料的线速度
精品课件
化工资源有效利用国家重点实验室
第三节 工业催化的常用术语
6、活性位
指催化剂中真正起催化作用的那些部位，通常也称为活性中心。 催化剂的活性位在不同的催化剂中是不一样的，它可以是一个质 子、固体表面的不饱和的原子、表面原子簇（cluster）、配位络 合物、蛋白质上的胶束囊（supermolecular pocket）等。在催 化反应中，反应物或中间物能吸附在它上面。
3、收率（Yield）
指给定反应产物的生成量和原料中某一组分加入量之比。如上述 反应中产物B的收率（Y）可表示为：
Y(%) B 100% A0
此式表明收率是转化率和选择性的乘积，一个催化剂只有同时具 有高转化率和高选择性，才具有高的活性。
另外，工业催化剂常以给定条件下(温度、压力、进料组成、进料 空速均一定)单位时间内，单位体积或单位质量催化剂所得产物的 量，即时空收率来表示。因为时空收率乘上反应器填装的催化剂 体积或质量，就能直接给出单位时间内生产的产物的量，或直接 给出完成一定的生产任务所需催化剂的体积或质量，所以时空收 率在生产和设计中使用起来很方便。
环境催化：指利用催化剂控制环境不能接收的化合物排放的化学过程，同时也 包括那些应用催化剂生产少污染的产物，以及能减少废物和无副产污染物的绿 色化学新过程。也就是说，应用催化剂可以将排放出的污染物转化成无害物质， 或者回收加以重新利用。可以在生产过程中尽可能地减少污染物的排放量，以 及无污染排放，并且用新的催化工艺制备化学品，取代对环境有害的物质，从 根本上解决环境污染问题。这些方面催化剂起着关键的作用，如SO2和NOx的 催化消除；机动车尾气的催化净化；工业有机废气的催化治理；室内空气污染 物的催化净化；水中有机污染物的催化治理；固体废气物的资源化和综合利用； CO2的回收、固定和再利用等。 精品课件
第一章工业催化剂概述 PPT
1746年J、Roebuck 铅室法制硫 酸 第,一用个N现O2代作工气业相催催化化过剂程,实。现了
1811年,俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用,热得淀 粉水溶液中添加盐酸时促进淀粉 水解生成糖。
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为催化剂得 接触法生产硫酸得工业 方法,就是化学工业得重 要进步。
J、J、 Berzeli
奠基时期
1907年油脂加氢生产硬化油,为近代有机工业 得先河。 (法国Scbatier 1912年获诺贝尔化 学奖 )
1904开始德国化学家Haber研究合成氨催化 剂,(1918年获诺贝尔化学奖)
大发展时期
1929年由法国E、J、Houdry开发流化床催 化裂化工艺(FCC)
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*
NH*+H*→NH2*
H2+* → 2H * N*+H*→NH* NH2*+H*→NH3+*
在500℃时,合成氨E非催= 334、6KJ/mol,E催=70 KJ/mol
催化剂与催化作用
催化循环
AB
P
separation
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
1811年,俄国科学家从科学意义 上最先发现了催化作用,热得淀 粉水溶液中添加盐酸时促进淀粉 水解生成糖。
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为催化剂得 接触法生产硫酸得工业 方法,就是化学工业得重 要进步。
J、J、 Berzeli
奠基时期
1907年油脂加氢生产硬化油,为近代有机工业 得先河。 (法国Scbatier 1912年获诺贝尔化 学奖 )
1904开始德国化学家Haber研究合成氨催化 剂,(1918年获诺贝尔化学奖)
大发展时期
1929年由法国E、J、Houdry开发流化床催 化裂化工艺(FCC)
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*
NH*+H*→NH2*
H2+* → 2H * N*+H*→NH* NH2*+H*→NH3+*
在500℃时,合成氨E非催= 334、6KJ/mol,E催=70 KJ/mol
催化剂与催化作用
催化循环
AB
P
separation
catalyst
bonding
AB
catalyst
P
catalyst
reaction
Ethylene Hydrogenation
Ni
C2H4 + H2 C2H6
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
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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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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：
工业催化课件
Os,U 熔铁
Deacon工艺：HCl氧化 CuCl2 制Cl2 SO2氧化制硫酸 NH3氧化为NO Pt
同年
1910
催化加氢工艺 合成氨工艺: N2+H2NH3
对现代化学工业起到了很大的促进作用 1919年Haber获诺贝尔化学奖 1931年Bosch获诺贝尔化学奖
德国化学家格哈德·埃特尔发现了哈伯-博施法合成氨的作用机理，2007年度诺贝尔化学奖 工业应用催化剂
催化剂是可以改变化学反应的速度，但最后不出现在生成物中的物质
1831年，英国的醋制造商Philips等发现SO2在空气中氧化时可用金属Pt促进，
后来成为硫酸制造业的开端。
工业应用催化剂
对催化作用、化学平衡和反应动力学的基础研究获得1909年诺贝尔化学奖 工业应用催化剂
1.1.1 催化概念的诞生
1903年，法国科学家P.
1835年，Berzelius第一次提出“催化作用（catalysis）”概念
一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力，与催化作用相伴随的有“催化力”
1817年，英国Davy观察到氢与氧混合后在着火温度以下接触灼热的Pt时会
发生爆炸。
H2+空气
Pt丝
火 焰
1901年，W. Ostwald提出了催化剂定义
工业应用催化剂
1
2016/11/15
1.1.1 催化概念的诞生
19世纪初众多化学现象
1812年，俄国科学家发现用稀酸可以促进淀粉水解生成糖，而酸不受化学
1.1.1 催化概念的诞生
1834年，在140oC下在乙醇中加入稀硫酸，蒸出乙醚和水
接触（contact）
反应影响，这是从科学意义上最先发现的催化作用。
Deacon工艺：HCl氧化 CuCl2 制Cl2 SO2氧化制硫酸 NH3氧化为NO Pt
同年
1910
催化加氢工艺 合成氨工艺: N2+H2NH3
对现代化学工业起到了很大的促进作用 1919年Haber获诺贝尔化学奖 1931年Bosch获诺贝尔化学奖
德国化学家格哈德·埃特尔发现了哈伯-博施法合成氨的作用机理，2007年度诺贝尔化学奖 工业应用催化剂
催化剂是可以改变化学反应的速度，但最后不出现在生成物中的物质
1831年，英国的醋制造商Philips等发现SO2在空气中氧化时可用金属Pt促进，
后来成为硫酸制造业的开端。
工业应用催化剂
对催化作用、化学平衡和反应动力学的基础研究获得1909年诺贝尔化学奖 工业应用催化剂
1.1.1 催化概念的诞生
1903年，法国科学家P.
1835年，Berzelius第一次提出“催化作用（catalysis）”概念
一种催化剂是破坏阻碍化学反应进行的正常力，与催化作用相伴随的有“催化力”
1817年，英国Davy观察到氢与氧混合后在着火温度以下接触灼热的Pt时会
发生爆炸。
H2+空气
Pt丝
火 焰
1901年，W. Ostwald提出了催化剂定义
工业应用催化剂
1
2016/11/15
1.1.1 催化概念的诞生
19世纪初众多化学现象
1812年，俄国科学家发现用稀酸可以促进淀粉水解生成糖，而酸不受化学
1.1.1 催化概念的诞生
1834年，在140oC下在乙醇中加入稀硫酸，蒸出乙醚和水
接触（contact）
反应影响，这是从科学意义上最先发现的催化作用。
1-工业催化原理PPT优秀课件
48
思考题： 2
2021/6/3
49
思考题： 3
4 、
2021/6/3
50
2021/6/3
51
2021/6/3
52
部分资料从网络收集整 理而来，供大家参考，
感谢您的关注！
反应速率随表面精细结构而变化—结构 敏感反应。
2021/6/3
26
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。
2021/6/3
27
2021/6/3
28
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。
44
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
2021/6/3
45
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。
6
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
第4章 工业催化剂的制备、成型与使用_PPT幻灯片
沉淀法分类
3.均匀沉淀法 先使待沉淀金属盐溶液与沉淀剂母体充分混合，
造成一个均匀的体系，然后调节温度和时间，逐渐 提高pH值，或者在体系中逐渐生成沉淀剂的方式， 创造形成沉淀的条件，使沉淀缓慢进行，以制得颗 粒十分均匀而且比较纯净的沉淀物。
如：Al(OH)3沉淀制备 采用铝盐溶液中加入尿素，混合均匀，加热升温，
晶核生成速率 N生成 k(cc*3~ )4
晶核长大速率
N扩散 D A(cc')
kdA(cc*)(扩散控制) N 表面 反 k'A 应 (c'c*)
k'A(cc*1)~2(表面反应控制)
-- 扩散控制取决于湍动情况(搅拌情况)，表面反应 25
取决于温度和浓度，是何种控制取决于具体情况
26
由上图推出：必须要控制浓度的过饱和度，才 能得到较理想的晶核物
催化剂形状、颗粒大小、物相、相对密度、比表面 积、孔结构和机械强度等。
影响反应的催化活性，影响催化剂的使用寿命，更 重要的是影响反应动力学和流体力学的行为。
对于负载催化剂来说，载体的选择对机械强度影响很 大，成型的方法及使用的设备也直接影响到催化剂的机 械强度
图 催化剂性能与组成、结构及制备方法之间的关系
30
5. 搅拌的影响 搅拌加强溶液的湍动，减小扩散层厚度δ、加大
扩散系数D。搅拌有利于晶粒长大，同时促进晶核的 生成，但对后者的影响微弱。
随着搅拌速度的提高，开始晶粒长大速率时急 剧增加；当达到一极值后，再继续提高搅拌速度时， 晶粒长大速率就基本不变
31
三、均匀沉淀法与共沉淀法
1. 均匀沉淀法
--使待沉淀溶液与沉淀剂母体充分混合，造成均 匀的体系，再调节温度，使沉淀剂母体加热分解为 沉淀剂，从而使金属离子产生均匀沉淀
工业催化剂的制造方法PPT课件
第48页/共102页
Zeolite A
LTA 第49页/共102页
MORDENITE
第50页/共102页
ZSM-5 MFI
第51页/共102页
MFI and MOR Structures
第52页/共102页
Structure of Y zeolite
Sodalite unit
SI’ SIII SI
• 特点：催化剂有高的强度、热稳定性和长的使寿命。
第40页/共102页
热熔融法催化剂制备实例
• 骨架镍催化剂的制备(Reney Ni,加氢反应）
第41页/共102页
§2-5 离子交换法
• 通过离子交换将活性组份交换到载体上，再经过后续处理得到催化剂成品。
第42页/共102页
分子筛
• 分子筛是结晶的硅铝酸盐，具有均匀的孔隙 结构。其化学组成为： Mx/n[(AlO2)x·(SiO2)y] ·ZH2O
第45页/共102页
第46页/共102页
第47页/共102页
ZEOLITES
porous crystalline aluminosilicates built from SiO4 and AlO4 tetrahedra, cross-linked to each other through the oxygen ions
如：Al(OH)3沉淀制备 采用铝盐溶液中加入尿素，混合均匀，加热
第6页/共102页
沉淀法分类
盐溶液浸渍操作完成后，再加沉淀剂，而使待沉淀组份沉积在载体上。
第7页/共102页
沉淀法分类
借助晶化导向剂（晶种）引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀的方法。 如：Y型、X型分子筛的合成，加入乙醇胺作导向剂。
Zeolite A
LTA 第49页/共102页
MORDENITE
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ZSM-5 MFI
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MFI and MOR Structures
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Structure of Y zeolite
Sodalite unit
SI’ SIII SI
• 特点：催化剂有高的强度、热稳定性和长的使寿命。
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热熔融法催化剂制备实例
• 骨架镍催化剂的制备(Reney Ni,加氢反应）
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§2-5 离子交换法
• 通过离子交换将活性组份交换到载体上，再经过后续处理得到催化剂成品。
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分子筛
• 分子筛是结晶的硅铝酸盐，具有均匀的孔隙 结构。其化学组成为： Mx/n[(AlO2)x·(SiO2)y] ·ZH2O
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ZEOLITES
porous crystalline aluminosilicates built from SiO4 and AlO4 tetrahedra, cross-linked to each other through the oxygen ions
如：Al(OH)3沉淀制备 采用铝盐溶液中加入尿素，混合均匀，加热
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沉淀法分类
盐溶液浸渍操作完成后，再加沉淀剂，而使待沉淀组份沉积在载体上。
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沉淀法分类
借助晶化导向剂（晶种）引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀的方法。 如：Y型、X型分子筛的合成，加入乙醇胺作导向剂。
工业催化剂的制备过程与使用
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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7次课工业催化剂设计与开发课件
第一节 工业催化剂的基本要求与特征
1.1 工业催化剂在经济上的重要性
工业催化剂市场有三大领域： ➢炼油催化剂市场； ➢化学品生产催化剂市场； ➢环保（汽车排气）催化剂市场。
1
1.2 工业催化剂的基本要求
所谓工业催化剂，是强调具有工业生产实 际意义的催化剂，它们可以用于大规模的 生产过程。 工业催化剂的基本要求： ➢ 活性 ➢ 选择性 ➢ 稳定性
这些载体表面的金属原子的壳层电子能级与体相 相比发生位移，电荷由载体向金属发生转移，其作用远 大于润湿作用，金属粒子的表面形貌发生了很大变化， 呈二维或筏状排列，从而大大改变了活性和选择性。
2.2.5 金属-载体相互作用
➢ 实例：废气排放净化催化剂： Pt, Pd, Rh/q-Al2O3, 助催化剂La2O3, CeO2 q-Al2O3高表面积、热稳定； La2O3 防止q-Al2O3向低表面a- Al2O3转变； CeO2 强化CO氧化和水煤气变换活性，这在
在金属氧化物上，如Cr2O3、Co3O4、NiO、ZnO等，在 400C下经真空干燥除去表面氧化物的羟基，使金属离子暴露，
常温下可使H2非解离吸附。
H-H -
Zn O 22
2、O2的活化：非解离吸附（O2-形式参与表面过程）；解离
吸附（以O-和O2-形式参与表面过程）。 乙烯在Ag催化剂上的环氧化反应
催化剂组分至少有两种，承担活性和选择性的需要。
➢ 异构化、水合等催化反应
固体酸，如氢型的分子筛沸石、γ-Al2O3、H3PO4/硅藻土等。
21
(二） 根据反应分子活化方式进行评选
1、H2的活化
在金属催化剂上，在-50C--100C下，可按照LH机理进行解 离吸附。解离后的原子H可在金属表面移动，可以对不饱和化 合物加氢。
1.1 工业催化剂在经济上的重要性
工业催化剂市场有三大领域： ➢炼油催化剂市场； ➢化学品生产催化剂市场； ➢环保（汽车排气）催化剂市场。
1
1.2 工业催化剂的基本要求
所谓工业催化剂，是强调具有工业生产实 际意义的催化剂，它们可以用于大规模的 生产过程。 工业催化剂的基本要求： ➢ 活性 ➢ 选择性 ➢ 稳定性
这些载体表面的金属原子的壳层电子能级与体相 相比发生位移，电荷由载体向金属发生转移，其作用远 大于润湿作用，金属粒子的表面形貌发生了很大变化， 呈二维或筏状排列，从而大大改变了活性和选择性。
2.2.5 金属-载体相互作用
➢ 实例：废气排放净化催化剂： Pt, Pd, Rh/q-Al2O3, 助催化剂La2O3, CeO2 q-Al2O3高表面积、热稳定； La2O3 防止q-Al2O3向低表面a- Al2O3转变； CeO2 强化CO氧化和水煤气变换活性，这在
在金属氧化物上，如Cr2O3、Co3O4、NiO、ZnO等，在 400C下经真空干燥除去表面氧化物的羟基，使金属离子暴露，
常温下可使H2非解离吸附。
H-H -
Zn O 22
2、O2的活化：非解离吸附（O2-形式参与表面过程）；解离
吸附（以O-和O2-形式参与表面过程）。 乙烯在Ag催化剂上的环氧化反应
催化剂组分至少有两种，承担活性和选择性的需要。
➢ 异构化、水合等催化反应
固体酸，如氢型的分子筛沸石、γ-Al2O3、H3PO4/硅藻土等。
21
(二） 根据反应分子活化方式进行评选
1、H2的活化
在金属催化剂上，在-50C--100C下，可按照LH机理进行解 离吸附。解离后的原子H可在金属表面移动，可以对不饱和化 合物加氢。
工业催化剂的制备与使用ppt课件
同时还必需使无用组分，特别是对催化剂有毒的 物质在热分解或复原过程中挥发除去。
最常用的是硝酸盐、铵盐、有机酸盐〔乙酸盐、乳酸 盐等〕。
普通以去离子水为溶剂，但当载体能溶于水或活性组 分不溶于水时，那么可用醇或烃作为溶剂。
浸渍液的浓度必需控制恰当。
二、活性组分在载体上的分布与控制
图 活性组分在孔内的吸附
表 常用的固体催化剂制造方法
举例 水合氧化物，如氢氧化铁等的制备 贵金属负载到金属氧化物载体Al2O3或SiO2 等载体上 氧化铁-氧化铬CO变换催化剂的制备 合成氨的铁催化剂的制备 雷尼镍催化剂的制备
§5.1 沉淀法制备工业催化剂
一、沉淀法
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之 一，广泛用于制备高含量非贵金属、金属氧化 物、金属盐催化剂和载体。
1. 沉淀过程和沉淀剂的选择
沉淀作用给予催化剂根本的催化剂属性，沉淀物实践 上是催化剂或载体的前驱物，对所制得的催化剂的活 性、寿命和强度有很大影响。
在沉淀过程中采用什么沉淀反响，选择什么样 的沉淀剂，是沉淀工艺首先要思索的问题。
同一催化剂可以从不同的原料开场制造，如镍， 可以制成Ni(OH)2沉淀或NiCO3沉淀；
13-上鞍座；14-平滚圈；15-下鞍座；16-托轮部件；17-出料箱
四、 沉淀法制备催化剂的案例分析 ——活性Al2O3的制
备
图 酸中和法消费γ- Al2O3的 流程表示图
图 碱中和法消费η- Al2O3的 流程表示图
表 中和沉淀温度对氧化铝性质的影响
中和温度/℃ 孔分布 0~50Å
50~200 Å 200~327 Å 比外表积 / m2·g–1 BET孔容 / ml·g–1 平均孔径 / Å
催化剂制备方法
最常用的是硝酸盐、铵盐、有机酸盐〔乙酸盐、乳酸 盐等〕。
普通以去离子水为溶剂，但当载体能溶于水或活性组 分不溶于水时，那么可用醇或烃作为溶剂。
浸渍液的浓度必需控制恰当。
二、活性组分在载体上的分布与控制
图 活性组分在孔内的吸附
表 常用的固体催化剂制造方法
举例 水合氧化物，如氢氧化铁等的制备 贵金属负载到金属氧化物载体Al2O3或SiO2 等载体上 氧化铁-氧化铬CO变换催化剂的制备 合成氨的铁催化剂的制备 雷尼镍催化剂的制备
§5.1 沉淀法制备工业催化剂
一、沉淀法
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之 一，广泛用于制备高含量非贵金属、金属氧化 物、金属盐催化剂和载体。
1. 沉淀过程和沉淀剂的选择
沉淀作用给予催化剂根本的催化剂属性，沉淀物实践 上是催化剂或载体的前驱物，对所制得的催化剂的活 性、寿命和强度有很大影响。
在沉淀过程中采用什么沉淀反响，选择什么样 的沉淀剂，是沉淀工艺首先要思索的问题。
同一催化剂可以从不同的原料开场制造，如镍， 可以制成Ni(OH)2沉淀或NiCO3沉淀；
13-上鞍座；14-平滚圈；15-下鞍座；16-托轮部件；17-出料箱
四、 沉淀法制备催化剂的案例分析 ——活性Al2O3的制
备
图 酸中和法消费γ- Al2O3的 流程表示图
图 碱中和法消费η- Al2O3的 流程表示图
表 中和沉淀温度对氧化铝性质的影响
中和温度/℃ 孔分布 0~50Å
50~200 Å 200~327 Å 比外表积 / m2·g–1 BET孔容 / ml·g–1 平均孔径 / Å
催化剂制备方法
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。
/
/
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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