工业催化基础20111精.pptx
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1、第一章 工业催化的基本概念 主要内容:主要内容:工业催化在国计民生中的作用;工业催化在国计民生中的作用;工业催化的基本概念和常用术语工业催化的基本概念和常用术语 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 1第一节 工业催化在国计民生中的作用 一、催化剂现代化学工业的基石一、催化剂现代化学工业的基石 90以以上上的的化化工工产产品品是是借借助助催催化化剂剂生生产产出出的的,没没有催化剂,就不可能建立现代化学工业。有催化剂,就不可能建立现代化学工业。如:如:无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产。无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产。石油加工中的催化裂化、催化重整等过
2、程。石油加工中的催化裂化、催化重整等过程。石油化工中醇、醛、酸、酯的生产。石油化工中醇、醛、酸、酯的生产。三大合成高分子材料的生产。三大合成高分子材料的生产。煤化工与天然气化工过程。煤化工与天然气化工过程。生物化工中的酶催化过程生物化工中的酶催化过程。环保催化过程等。环保催化过程等。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 2第一节 工业催化在国计民生中的作用 二、二十世纪工业催化的一些重大发明二、二十世纪工业催化的一些重大发明 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 3第一节 工业催化在国计民生中的作用 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用
3、国家重点实验室 4第二节 基本概念和常用术语 一、催化剂和催化作用:一、催化剂和催化作用:何何谓谓催催化化剂剂?先先看看一一个个例例子子:通通常常情情况况下下,将将N2分分子子和和H2分分子子混混合合在在一一个个惰惰性性的的容容器器中中。即即使使在在500下下,也也几几乎乎检检测测不不到到NH3的的生生成成。虽虽然然N2分分子子和和H2分分子子化化合合生生成成NH3是是一个热力学允许的可逆放热反应:一个热力学允许的可逆放热反应:N2+3H2 NH3 H 500oC109 kJ/mol 但但如如果果在在N2分分子子和和H2分分子子混混合合气气体体的的体体系系中中有有少少量量Fe存存在在,就就会会
4、有有NH3生生成成,其其中中Fe称称为为催催化化剂剂,对对NH3的的生生成成起起着着关关键的作用。键的作用。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 5第二节 基本概念和常用术语 因为:因为:如如果果没没有有催催化化剂剂,N2分分子子和和H2分分子子化化合合生生成成NH3是是一一个个均均相相的的化化学学反反应应过过程程。即即要要经经过过N2分分子子的的NN键键和和H2分分子子的的HH键键断断裂裂和和NH3分子分子NH键的形成。键的形成。由由于于N2分分子子和和H2分分子子的的键键能能很很高高,都都非非常常稳稳定定。因因此此N2分分子子和和H2分分子子经经均均相相化化学学反反
5、应应合合成成NH3需要很大的能量,即反应的活化能很高。需要很大的能量,即反应的活化能很高。在在500,常常压压条条件件下下活活化化能能为为334.6 kJ/mol,在在这这种种情情况况下下,氨氨合合成成的的反反应应极极慢慢,以以致致生生成成氨的量甚微,常规方法都难以测出。氨的量甚微,常规方法都难以测出。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 6第二节 基本概念和常用术语 但:但:采采用用Fe作作为为催催化化剂剂时时,N2分分子子和和H2分分子子化化合合生生成成NH3的途径就发生了变化。的途径就发生了变化。现现代代研研究究表表明明,N2分分子子和和H2分分子子首首先先在在F
6、e催催化化剂剂表表明明发发生生化化学学吸吸附附,这这使使得得N2分分子子和和H2分分子子的的化化学学键键削削弱弱以以至至断断裂裂,然然后后化化学学吸吸附附的的氮氮(Nad)和和化化学学吸吸附附的的氢氢(Had)在在催催化化剂剂表表面面相相互互作作用用,并并经经过过一一系系列列的的表表面面化化学学反反应应,最最后后生生成成的的NH3分分子子从从催催化化剂剂表表面面脱脱附附,生生成成产物产物NH3。反应机理和反应过程的能量关系如下:反应机理和反应过程的能量关系如下:第二节 基本概念和常用术语 反应机理和反应过程的能量如下:反应机理和反应过程的能量如下:化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用
7、国家重点实验室 8Reactions at Surfaces:From Atoms to Complexity (Nobel Lecture)by Gerhard Ertl Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,3524 3535第二节 基本概念和常用术语 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 9实验表明,在实验表明,在500、常压、常压的反应条件下,的反应条件下,催化反应比相催化反应比相同条件下的均同条件下的均相非催化反应相非催化反应的反应速率要的反应速率要高出高出13个数量个数量级,催化反应级,催化反应示意图如图所示意图如图所示示 1981年年,IUP
8、AC对对催催化化剂剂的的定定义义:催催化化剂剂是是一一种种物物质质,它它能能够够改改变变化化学学反反应应的的速速率率,而而不不改改变变该该反反应应的的标标准准Gibbs自自由由焓焓变变化化;此过程称为催化作用,涉及催化剂的反应称为催化反应。此过程称为催化作用,涉及催化剂的反应称为催化反应。第二节 基本概念和常用术语 二、催化剂的基本特征:二、催化剂的基本特征:1、催催化化剂剂只只能能加加速速热热力力学学可可行行的的反反应应,不不能能实实现热力学不可能的反应;现热力学不可能的反应;2、催催化化剂剂只只能能改改变变化化学学反反应应的的速速度度,不不能能改改变变化学平衡的位置;化学平衡的位置;3、催
9、化剂能降低反应的活化能,改变反应的历、催化剂能降低反应的活化能,改变反应的历 程;程;4、催化剂对反应具有选择性。、催化剂对反应具有选择性。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 10第二节 基本概念和常用术语 三、催化剂的重要应用领域:三、催化剂的重要应用领域:石油炼制:石油炼制:石油炼制是指对不同沸释的石油馏分石油炼制是指对不同沸释的石油馏分经催化转化成各种燃料油,润滑基础油,化工原经催化转化成各种燃料油,润滑基础油,化工原料的过程。这是催化剂最重要的应用领域。料的过程。这是催化剂最重要的应用领域。使用使用的催化剂包括各种固体酸,分子筛,负载型金属的催化剂包括各种固体
10、酸,分子筛,负载型金属催化剂等;催化剂等;催化剂反应过程要有催化裂化,催化催化剂反应过程要有催化裂化,催化重整,催化加氢处理等。化工反应工艺则有固定重整,催化加氢处理等。化工反应工艺则有固定床、流化床、提升管催化裂化、铂重整、连续移床、流化床、提升管催化裂化、铂重整、连续移动床低压铂重整、常压渣油催化裂化等。动床低压铂重整、常压渣油催化裂化等。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 11第二节 基本概念和常用术语 石石油油化化工工:石石油油化化工工是是指指一一切切以以石石油油烃烃为为原原料料生生产产各各种种化化工工产产品品的的催催化化过过程程。包包括括一一些些基基本本有有
11、机机化化工工原原料料合合成成的的催催化化过过程程。能能用用的的催催化化剂剂种种类类很很多多。一一些些重重要要的的催催化化过过程程有有:催催化化加加氢氢与与脱脱氢氢;催催化化水水合合与与脱脱水水;烃烃类类的的异异构构和和芳芳构构;芳芳烃烃烷烷基基化,歧化及烷基转移;烯烃二聚及齐聚等化,歧化及烷基转移;烯烃二聚及齐聚等。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 12第二节 基本概念和常用术语 细细精精化化工工:细细精精化化工工是是指指对对基基本本化化学学工工业业生生产产的的初初级级或或次次级级化化学学品品进进行行深深加加工工,特特别别具具有有特特定定功功能能,特特定定用用途途且
12、且附附加加值值高高的的化化工工产产品品的的化化工工过过程程。涉涉汲汲到到氧氧化化反反应应,还还原原反反应应,碳碳链链增增减减反反应应,重重排排反反应应,杂杂环环合合成成反反应应,不不对对称称合合成成工工艺艺等等。广广泛泛使使用用酸酸碱碱催催化化剂剂,超超强强酸酸碱碱催催化化剂剂,分分子子筛筛择择形形催催化化剂剂,金金属属化化合合物物和和配配合合物催化剂,手性催化剂,相转移催化剂等。物催化剂,手性催化剂,相转移催化剂等。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 13第二节 基本概念和常用术语 合成材料:合成材料:合成树脂,合成纤维,合成橡胶这三大合成材料的合成树脂,合成纤维,
13、合成橡胶这三大合成材料的生产过程中,催化剂起着关键的作用生产过程中,催化剂起着关键的作用 在聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚酯等的生产,以及高分子单在聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚酯等的生产,以及高分子单体的生产过程中都要使用多种催化剂;体的生产过程中都要使用多种催化剂;在合成纤维工业中,涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维的生在合成纤维工业中,涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维的生产需要甲苯歧化,二甲苯异构化,对二甲苯氧化,对苯二甲酸酯产需要甲苯歧化,二甲苯异构化,对二甲苯氧化,对苯二甲酸酯化,乙烯氧化制环氧乙烷,对苯二甲酸与乙二醇缩聚等多个过程。化,乙烯氧化制环氧乙烷,对苯二甲酸与乙二醇缩聚等多个过程
14、。其中每一过程都要使用催化剂;在腈纶(聚丙烯腈)纤维的生产其中每一过程都要使用催化剂;在腈纶(聚丙烯腈)纤维的生产中,要用到丙烯氨氧化等多种催化剂;在维伦(聚乙烯醇)纤维中,要用到丙烯氨氧化等多种催化剂;在维伦(聚乙烯醇)纤维生产中,无论是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯,均是催化剂参生产中,无论是乙炔合成或由乙烯合成醋酸乙烯,均是催化剂参与的催化过程;与的催化过程;在合成橡胶工业中,丁苯橡胶,顺丁橡胶,异戊橡胶,乙丙橡在合成橡胶工业中,丁苯橡胶,顺丁橡胶,异戊橡胶,乙丙橡胶等主要品种的生产中都要使用催化剂。一些单体的生产,为丁胶等主要品种的生产中都要使用催化剂。一些单体的生产,为丁烯氧化脱氢制丁
15、二烯,苯烷基化制乙苯。乙苯脱氢制苯乙烯,异烯氧化脱氢制丁二烯,苯烷基化制乙苯。乙苯脱氢制苯乙烯,异戊烷制异戊二烯等也都需要催化剂。戊烷制异戊二烯等也都需要催化剂。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 14第二节 基本概念和常用术语 碳碳一一化化学学:碳碳一一(C1)化化学学主主要要研研究究含含一一个个碳碳原原子子的的化化合合物物,如如甲甲烷烷,甲甲醇醇,CO,CO2,HCN等等参参与与的的化化学学反反应应。目目前前已已可可按按C1化化学学的的路路线线,从从煤煤和和无无燃燃气气出出发发,生生产产出出新新型型的的合合成成燃燃料料,以以及及乙乙烯烯,丙丙烯烯,芳芳烃烃等等重重
16、要要的的起起始始化化工工原原料料。而而这这些些新新工工艺艺的的开开发发,首首先先要要解解决决催催化化剂剂这这一一关关键键问问题题。特特别别是是煤煤经经合合成成气气(CO+H2)制制甲甲醇醇,由由F-T合合成成制制汽汽油油,柴柴油油,甲甲醇醇催催化化转转化化制制乙乙烯烯,丙丙烯烯等等可可大大大大缓缓解解对对石石油油的的消消耗耗,对对可可持持续续发发展展有重要的意义。有重要的意义。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 15第二节 基本概念和常用术语 基础无机化工:基础无机化工:基础无机化工产品如基础无机化工产品如硫酸,硝酸,硫酸,硝酸,合成氨合成氨等种类虽然不多,但产品相当
17、大。其中硫等种类虽然不多,但产品相当大。其中硫酸是世界产量最大的合成化学品之一。目前硫酸酸是世界产量最大的合成化学品之一。目前硫酸的生产是为催化剂氧化的生产是为催化剂氧化SO2制得。硝酸在铂铑制得。硝酸在铂铑催化剂作用下,用氨的催化氧化法制得。合成氨催化剂作用下,用氨的催化氧化法制得。合成氨工业使用的催化剂达工业使用的催化剂达8种以上。包括加氢脱硫钴种以上。包括加氢脱硫钴钼基,锌基催化剂。一段转化二段转化镍基催钼基,锌基催化剂。一段转化二段转化镍基催化剂。中温变换铁基催化剂,低温变换铜基催化化剂。中温变换铁基催化剂,低温变换铜基催化剂,甲烷化镍基催化剂,氨合成铁基催化剂等。剂,甲烷化镍基催化剂
18、,氨合成铁基催化剂等。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 16第二节 基本概念和常用术语 生生物物催催化化:生生物物催催化化是是指指在在生生物物催催化化剂剂(俗俗称称酶酶)作作用用下下的的反反应应过过程程。虽虽然然酶酶是是不不同同于于化化学学催催化化剂剂的的另另一一种种类类型型的的催催化化剂剂,但但现现代代现现象象表表明明,酶酶催催化化过过程程的的物物理理化化学学规规律律与与化化学学催催化化剂剂是是一一致致的的。只只不不过过酶酶的的催催化化作作用用是是生生化化反反应应的的核核心心。化化学学催催化化剂剂是是化化学学反反应应的的关关键键,并并且且近近年年来来生生物物催催化
19、化与与传传统统的的化化学学催催化化的的关关系系越越来来越越密密切切,展展现现出出了了广广泛泛的应用前景。的应用前景。如农药工业中,以酶作催化剂已经大量生产维生素,抗生素,激素如农药工业中,以酶作催化剂已经大量生产维生素,抗生素,激素以及多种药物,农药等。在食品工业中,用酶催化的生物化工方法,以及多种药物,农药等。在食品工业中,用酶催化的生物化工方法,可以生产发酵食品,调味品,醇类饮料,有机酸,氨基酸,甜味剂,可以生产发酵食品,调味品,醇类饮料,有机酸,氨基酸,甜味剂,以及各种保健食品;在化学工业中,用生物催化剂已能生产许多中化以及各种保健食品;在化学工业中,用生物催化剂已能生产许多中化工原料,
20、为甲醇,乙醇,丁二醇,异丙醇,丙二醇,木糖醇,柠檬酸,工原料,为甲醇,乙醇,丁二醇,异丙醇,丙二醇,木糖醇,柠檬酸,葡萄糖酸,已二酸,丙酮,甘油,等。还可合成许多高分子化合物,葡萄糖酸,已二酸,丙酮,甘油,等。还可合成许多高分子化合物,如多糖,葡萄糖,可生物降解高聚物聚羟基丁酸等。如多糖,葡萄糖,可生物降解高聚物聚羟基丁酸等。特别是在能源工业中,采用生物催化剂可以从纤维素,淀粉,有机特别是在能源工业中,采用生物催化剂可以从纤维素,淀粉,有机废弃物等可再生资源大量生产甲烷,甲酸,乙酸等能源。这对于减少废弃物等可再生资源大量生产甲烷,甲酸,乙酸等能源。这对于减少化石资源的消耗和净气体化石资源的消耗
21、和净气体CO2的排放。充分利用可再生资源,生物质的排放。充分利用可再生资源,生物质资源有重要的意义和应用前景。资源有重要的意义和应用前景。化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 17第二节 基本概念和常用术语 环境催化:环境催化:环境催化是指环境催化是指利用催化剂控制环境不能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,它也包括那接收的化合物排放的化学过程。同时,它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。无副产污染物的绿色化学新过程。也就是说,应用也就是说,应用催化剂可以将排放
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