催化劑基礎(chǔ)詳解課件

催化劑基礎(chǔ)詳解催化劑基礎(chǔ)詳解催化劑基礎(chǔ)詳解催化基本概念對催化作用的定義:（1）催化是靠用量較少且本身不消耗的一種叫催化劑的外加物質(zhì)來增大化學(xué)反應(yīng)速度的現(xiàn)象。（2）催化劑提供了把反應(yīng)物和產(chǎn)物連接起來的一系列基元步驟。（3）沒有催化劑時(shí)，是不發(fā)生這些過程的。（4）催化劑的存在使反應(yīng)按新的途徑進(jìn)行從而增大反應(yīng)速度。（5）催化劑參與反應(yīng)，經(jīng)過一個(gè)化學(xué)循環(huán)后再生出來。A+C→ACAC+B→AB+C2020/11/261催化基本概念對催化作用的定義:（1）催化是靠用量較少且本身不消耗的一種叫催化劑的外加物質(zhì)來增大化學(xué)反應(yīng)速度的現(xiàn)象。（2）催化劑提供了把反應(yīng)物和產(chǎn)物連接起來的一系列基元步驟。（3）沒有催化劑時(shí)，是不發(fā)生這些過程的。（4）催化劑的存在使反應(yīng)按新的途徑進(jìn)行從而增大反應(yīng)速度。（5）催化劑參與反應(yīng)，經(jīng)過一個(gè)化學(xué)循環(huán)后再生出來。A+C→ACAC+B→AB+C2020/11/262催化劑的定義在化學(xué)反應(yīng)里能改變（加快或減慢）其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后（反應(yīng)過程中會(huì)改變）都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)叫做催化劑，又叫觸媒。其物理性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生改變，例如MnO2在催化氯酸鉀生成氯化鉀和氧氣的反應(yīng)前后由塊狀變?yōu)榉勰?。另一種說法，催化劑參與化學(xué)反應(yīng)。在一個(gè)總的化學(xué)反應(yīng)中，催化劑的作用是降低該反應(yīng)發(fā)生所需要的活化能，本質(zhì)上是把一個(gè)比較難發(fā)生的反應(yīng)變成了兩個(gè)（或者更多）更容易發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在這兩個(gè)反應(yīng)中，第一個(gè)反應(yīng)中催化劑扮演反應(yīng)物的角色，第二個(gè)反應(yīng)中催化劑扮演生成物的角色，所以說從總的反應(yīng)方程式上來看，催化劑在反應(yīng)前后沒有變化。2020/11/263活化能2020/11/264催化劑的作用85%以上的化工產(chǎn)品是借助催化劑生產(chǎn)的無機(jī)化工：合成氨、硝酸、硫酸有機(jī)化工：甲醇、醋酸、丙酮高分子化工：三大合成材料(合成樹脂、合成橡膠、合成纖維)石油煉制與化工：汽油、柴油（裂化、重整）2020/11/265環(huán)境保護(hù)揮發(fā)性有機(jī)組分(VOCs)：催化燃燒常溫下，沸點(diǎn)50℃—260℃的各種有機(jī)化合物。最常見的有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯（TDI）、二異氰甲苯酯等。工業(yè)排放NOx：催化還原→N2機(jī)動(dòng)車尾氣：三效催化劑(CO、NOx、CHx)CO2、N2、H2O+CO2化工過程的綠色化：催化劑的應(yīng)用 無毒催化劑代替有毒催化劑2020/11/266能源開發(fā)、利用石油：提高原油利用率天然氣：合成液體燃料(合成油、甲醇、

二甲醚)煤：間接液化制液體燃料生物質(zhì)：燃料2020/11/267對催化作用的詮釋:（1）只加速熱力學(xué)可行的反應(yīng)（G00）。（2）不影響平衡常數(shù)（G0=RTlnKa）。（3）k正與k逆有相同倍數(shù)變化（k正/k逆不變）。（4）改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)活化能。2020/11/268對催化作用的詮釋(續(xù)):非催化反應(yīng)和催化反應(yīng)的活化能（kJ/mol）反應(yīng)E(非催化)E’(催化)E=EE’催化劑2HIH2+I2184—10559—79125—AuPt2N2O2N2+O2245—121134—124131—AuPt(C2H5)2O熱解224—144—80—I2

蒸汽2020/11/269對催化作用的詮釋:(5)存在催化循環(huán)

(6)催化劑用量少且不消耗。（7）不影響化學(xué)計(jì)量方程式。（8）反應(yīng)速度(mol/s)與催化劑用量成正比。（9）反應(yīng)后催化劑有微小變化。2020/11/2610對催化作用的詮釋:（10）加速反應(yīng)但不參與反應(yīng)者不是催化劑。

（11）

引發(fā)劑不是催化劑。（12）催化劑是物體形式的物質(zhì)。2020/11/2611催化作用的意義催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域（1）合成氨及合成甲醇:產(chǎn)量最大的合成化學(xué)品（2）石油煉制與合成燃料：運(yùn)輸量和消費(fèi)量最大的化（3）無機(jī)化學(xué)工業(yè)：硫酸和硝酸的生產(chǎn)（4）基本有機(jī)合成工業(yè)：醇、醛（酮）、酸、酯、腈（5）三大合成材料：合成樹脂與塑料、合成橡膠、合成纖維（6）精細(xì)化工產(chǎn)品：品種最多、平均單價(jià)高的化學(xué)品（7）生物化工：最有潛力和發(fā)展前景的化工領(lǐng)域（8）環(huán)境化學(xué)：與人類生存密切相關(guān)的領(lǐng)域，尾氣凈化2020/11/26121.1.1催化作用的意義第一章緒論N2+3H2→3NH3催化劑：Fe-Al2O3-K2O每噸催化劑可產(chǎn)2萬噸氨N2來源：空氣分離H2來源:烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化法。工藝（涉及反應(yīng)）：加氫、脫硫、轉(zhuǎn)化、變換、甲烷化、氨合成。需用八種不同催化劑

合成氨2020/11/26131.1.1催化作用的意義第一章緒論石油2020/11/26141.1.1催化作用的意義第一章緒論煤2020/11/26151.1.1催化作用的意義第一章緒論天然氣2020/11/2616催化劑的定義與特征催化劑的定義能改變化學(xué)反應(yīng)的速度不改變化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)平衡位置本身在化學(xué)反應(yīng)中不被明顯地消耗催化劑的特征只能改變熱力學(xué)上可進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)只改變化學(xué)反應(yīng)的速度，而不改變化學(xué)平衡的位置。

ΔG=-RTInKp

化學(xué)平衡常數(shù)Kp的大小取決于反應(yīng)溫度T和ΔG，而ΔG是狀態(tài)函數(shù)，與過程無關(guān)。2020/11/2617催化劑的特征催化劑參與化學(xué)反應(yīng)：通過改變反應(yīng)歷程、降低活化能而改變反應(yīng)速度（催化作用機(jī)理）能加快化學(xué)反應(yīng)的速度，也能減慢化學(xué)反應(yīng)的速度催化劑對反應(yīng)的類型、方向及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)具有選擇性一種催化劑只對特定的化學(xué)反應(yīng)起催化作用 如SiO2-Al2O3催化劑對酸堿反應(yīng)具有催化作用，但對合成氨反應(yīng)卻無效利用不同的催化劑，可以使反應(yīng)有選擇性地朝某一個(gè)需要的方向進(jìn)行，生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。2020/11/2618催化劑活性評價(jià)的幾個(gè)重要參數(shù)(1)轉(zhuǎn)化率或活性轉(zhuǎn)化率=(反應(yīng)物已轉(zhuǎn)化的質(zhì)量)/(反應(yīng)物起始質(zhì)量)100%(2)選擇性選擇性=(轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物所消耗的某反應(yīng)物質(zhì)量)/(某反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的總質(zhì)量)100%(3)得率或產(chǎn)率得率=(生成的目的產(chǎn)物質(zhì)量)/(某反應(yīng)物的起始質(zhì)量)100%

得率=轉(zhuǎn)化率選擇性100%(4)空速和接觸時(shí)間 空速=(反應(yīng)混合物流量)/(催化劑體積或質(zhì)量)

接觸時(shí)間=1/空速2020/11/2619催化劑活性評價(jià)的幾個(gè)重要參數(shù)(續(xù)):(5)反應(yīng)速率反應(yīng)速率=單位質(zhì)量(體積或比表面積)的催化劑上在單位時(shí)間內(nèi)某反應(yīng)物的摩爾改變量(6)壽命從開始使用到活性下降至一定值所經(jīng)歷的時(shí)間。(催化劑中毒，比表面積降低，催化劑變質(zhì)，碳沉積，流失，破碎等等)2020/11/2620催化劑構(gòu)成與作用活性組分或主催化劑催化活性包括：金屬金屬氧化物復(fù)合氧化物金屬硫（碳、氮、鹵）化物大部分活性組分為：過渡金屬及其化合物2020/11/2621催化劑構(gòu)成與作用助催化劑改善催化活性或催化劑穩(wěn)定性幫助活性組分：

(結(jié)構(gòu)或電子方面)幫助載體：(結(jié)構(gòu)或電子方面)例如：合成NH3催化劑：（1）Fe3O4：活性組分

（2）Al2O3

（結(jié)構(gòu)助催劑）:促進(jìn)Fe(111) 晶面形成

(3)K（電子助催劑）:增加Fe表面電子密度2020/11/2622催化劑助催劑功能Al2O3(載體和催化劑）SiO2,ZrO2,PK2OHClMgO改進(jìn)熱穩(wěn)定性毒化結(jié)焦部位增加酸性阻滯活性組分燒結(jié)SiO2-Al2O3(催化裂化催化劑和基體)Pt增加CO氧化沸石（裂化催化劑）稀土離子Pd增加酸性和熱穩(wěn)定性增加加氫Pt/Al2O3（催化重整）Re減少氫解和燒結(jié)MoO3/Al2O3(加氫處理)Ni,CoP,B增加C－S和C－N的氫解增加MoO3分散度Ni/陶質(zhì)載體（水汽轉(zhuǎn)換）K加快炭的移除Cu-ZnO-Al2O3(低溫變換)ZnO減少Cu的燒結(jié)2020/11/2623催化劑構(gòu)成與作用載體（:分散活性組分，使其保持大的表面積選擇載體原則比表面積適宜的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)過大比表面積載體：活性組分非?；顫?，反應(yīng)產(chǎn)物易進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。過小比表面積載體：活性組分易聚集而導(dǎo)致失活或活性低。機(jī)械強(qiáng)度：耐反應(yīng)氣流沖擊熱穩(wěn)定性:熱膨脹系數(shù)較低無毒和不引起副反應(yīng)2020/11/2624常用的載體低比表面積載體對催化劑的活性影響很小，但熱穩(wěn)定性高，常用于高溫反應(yīng)和強(qiáng)放熱反應(yīng)。如乙烯氧化制環(huán)氧乙烷銀催化劑中的α-Al2O3。高比表面積載體因具有酸性或堿性，會(huì)影響催化劑的性能。如SiO2、Al2O3、活性炭、分子篩等。2020/11/2625常用的載體低比表面積載體載體比表面積（m2/g）剛玉0～1碳化硅<1硅藻土2～30石棉1～16耐火磚<1載體比表面積（m2/g）氧化鋁100～200硅膠400～800活性炭900～1200白土150～280SiO2-Al2O3350～600高比表面積載體2020/11/2626固體催化劑的結(jié)構(gòu)固體催化劑的組成分散度化合態(tài)物相初級粒子次級粒子金屬單質(zhì)化合物固溶體晶態(tài)非晶態(tài)均勻度積聚方式外形表面紋理孔隙構(gòu)造組分分布固體催化劑的顆粒2020/11/2627催化反應(yīng)和催化劑的分類催化反應(yīng)的分類按反應(yīng)系統(tǒng)物相的均一性均相：催化劑與反應(yīng)物形成均一相非均相(多相)：催化劑與反應(yīng)物處于不同相酶：酶本身是液體均勻分散在水溶液中（均相），但反應(yīng)卻從反應(yīng)物在其表面上的積聚開始（多相），因此同時(shí)具有均相和多相的性質(zhì)。2020/11/2628催化反應(yīng)的分類按反應(yīng)類型加氫脫氫氧化聚合裂解等優(yōu)點(diǎn)：便于比較同類型反應(yīng)的特點(diǎn)Ni催化劑：烯烴/苯加氫V2O5（五氧化二釩）催化劑：

苯/鄰二甲苯氧化2020/11/2629催化反應(yīng)的分類按反應(yīng)機(jī)理酸堿型反應(yīng)：催化劑與反應(yīng)物通過電子對的接受而配位，或發(fā)生強(qiáng)烈極化，形成離子型活性中間體物種進(jìn)行的催化反應(yīng)。氧化還原型反應(yīng)：催化劑與反應(yīng)物通過單個(gè)電子轉(zhuǎn)移，形成活性中間體物種進(jìn)行的催化反應(yīng)。2020/11/2630催化劑的分類按催化劑的元素及化合態(tài)分類金屬、金屬氧(硫)化物、金屬有機(jī)化合物按催化劑的導(dǎo)電性及化學(xué)形態(tài)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體按行業(yè)類別分類石油煉制工業(yè)、化肥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等2020/11/2631催化劑的反應(yīng)性能活性：指催化劑對反應(yīng)加速的程度選擇性：指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目 的產(chǎn)物的分率穩(wěn)定性：指催化劑在使用條件下具有

穩(wěn)定活性的時(shí)間2020/11/2632催化劑活性的表示方法轉(zhuǎn)化率CA=反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化掉的量/流經(jīng)催化劑床層反 應(yīng)物A的總量×100%

可用完成一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)溫度的高低來比較：反應(yīng)溫度越低，活性越高。還可用完成一定轉(zhuǎn)化率所需的空速來比較：空速越高活性越好。2020/11/2633空速空速(Spacevelocity)：單位時(shí)間內(nèi)，單位質(zhì)量或體積催化劑所能處理的反應(yīng)物量。 空速越大，表明催化劑的處理能力越強(qiáng)。 空速的倒數(shù)為接觸時(shí)間2020/11/2634催化劑的選擇性選擇性＝轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的原料量/總轉(zhuǎn)化 掉的原料量×100％選擇性＝目的產(chǎn)物的產(chǎn)率/原料的轉(zhuǎn)化率×100％產(chǎn)率：指消耗于生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量與反應(yīng)