催化剂开发与设计

工业催化剂的开发可分为二个层次，5种类型：
1. 创造性开发
理论设计，实验验证性开发 筛选实验性开发 偶然发现，深入开发
2. 改良性开发
对靶催化剂的改良开发(现有 催化剂样品的剖析、改良）
对已知催化剂的改良性开发 （无催化剂样品）
从国内外催化剂开发的历史看，工业催化剂的开发大体可以分为 难易程度不等的三种情况。
需要。
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◇ 1911年BASF的C. Bosch小组着手合成氨工业装置的设计加工， 这个世界上第一个高压合成氨反应器。至今还矗立在BASF合成 氨研究所大楼前马路对面的小花圃之中，内径285mm，容量90L， 它是合成氨催化过程历史上的里程碑。
◇1912年Carl Bosch的助手Alwin Mittasch 亦已开始了合成氨催 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。到1912年已经进行了6500次试验 （每次用24-48h），对2500种催化剂组分进行了试验，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。
例一：铁系氨合成催化剂的研制
◇1820-1900年间，已有很多科学工作者以铂系贵金属为催化剂进行 N2 + 3H2 2NH3反应的研究工作。但是由于当时热力学平衡基本 原理不成熟，反应是在高温低压下进行的，因而大都以失败告终。
◇1904-1907年间，Nernst及Haber在研究合成氨反应的热力学平衡时 采用了高压的条件，终于弄清了这个反应体系的实质。 Haber在德国 Karlsruhe 学院的实验室里，在他自己与助手Robert Le Rosotynol(英 国人）设计的高压设备中，第一次成功地从氮和氢合成了较多量的 氨，从而奠定了合成氨工业装置的基础。
2.1 概述
催化剂“开发”概念除了有创新、发展甚至发 明这一层意思而外，还包罗了一个催化剂新品种从 实验室研究直到其稳定地在工业上使用这个全过程 的所有工作在内。它既包括了催化剂设计、制备、 测试、评价等各方面多专业的工作，也包括了实验 室研究（小试）、中试及大厂生产和使用等各个工 作阶段在内。这是一个庞大的工作体系。因此，一 般来讲，即使局部更新一个已经工业化的催化剂， 也需要3~5年的时间，而且要耗费巨大的资金和人 力。开发工作的每一步都要仔细地考虑经济因素。
◇ 1908年2月Haber与BASF公司的代表Carl Bosch开始洽谈工 业化问题。Carl Bosch是合成氨工艺的重要奠基人，他全面地 考虑了合成氨工艺上涉及到的原料、产品及工艺路线等一系 列问题。他组织了化学家、化学工程师、物理学家、机械工 程师、以及材料工程师的通力合作，完成了合成氨这个庞大 工程体系对合成氨工业化作出了重要贡献。
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◇ 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，他以此为催化剂进行氨合 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，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，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。
◇继Haber的锇、铀催化剂（未被工业所采用）之后，1910年末 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
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◇ 1913年9月9日第一座反应装置投产，日产氨30吨。
◇1918：弗里茨·哈伯(Fritz Haber)德国人(1868--1934)获得 诺贝 尔化学奖，为化肥的诞生作出重要贡献。他是德国自修成才的化 学家。
◇1932：卡尔·波斯(Carl Bosch)德国人(1874—1940) 对改革合成氨工业体 系做出重大贡献而获得一九三一年诺
在筛选催化剂时，发现第Ⅵ族过渡金属（如钼）的六羰基化合物 对烷基化可能有利。他们先将γ-Al2O3在500-600 ℃下，进行灼烧处理， 并将Mo(CO)6溶于环已烷中，然后将处理过的γ-Al2O3加入其中进行浸 渍。最后再在Mo(CO)6的分解温度以下进行干燥。以此催化剂进行异 丁烷-丁烯的烷基化反应时，得到了很少量（约为原料的1%）的液体 产品。色谱分析结果是2-戊烯，而不是预想中的C8烃类。
◇ 1909年Haber采用锇(Os)细粉在17.5 MPa和600℃获得了单 程转化率8%这一当时能达到的最高水平。 Haber在完成了高 压试验之后又从催化剂方面着手解决合成氨转化率低的动力 学问题。但Os的价格过于昂贵（是白金的十倍）且存量少。 之后Haber又发现铀（U）可作为合成氨催化剂，但铀也是十 分稀缺贵重的物资。
贝尔化学奖。 著名高压力化学的开创者，为现代化学工业特别 是高压力化学的发展，作出了不可磨灭的贡献。
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第二个例子是烯烃歧化催化剂的发现。
1959年：美国菲利浦石油公司的R. L. Banks博士，接受公司寻找 新的烷基化过程催化剂的任务，当时是想开发一个新的非均相催化剂 以代替当时使用的无机酸（H2SO4、H3PO3等）。
开发一个全新的催化过程: 即这一过程以前是没有的，必须设计一种新的催 化剂，使这一催化过程能有效地进行，并具有工业使用价值。
改进现有的催化过程: 即这一催化过程已经实现了工业化，但催化剂的某些 特性，如活性、选择性、强度、寿命（或者说再生周期）、对毒物的敏感性 等有令人不满意之处，需要设计一种新的催化剂，或改进现有催化剂的某些 性能，以期取得更好的经济效果。这就是工业催化剂的换代开发设计。
催化剂制备工艺的改进： 主要发生在催化剂制造厂，为了经济上的理由，制 造厂需要改变某种催化剂的制备工艺。例如，用高效化工单元操作设备去代 替低效设备，以提高劳动生产率；用价格较低的 原料代替较贵的原料，以降 低成本；某些原料（特别是是天然载体）的物理性质或化学组成有所改变， 需要改变工艺生产条件以保持甚至提高质量。