催化作用原理课论文
各类催化剂的特点及应用
姓名 xxx
学号 201400xx 院系化学工程学院
专业化学工程与技术
年级研究生1班
科目催化作用原理
1.前言
催化剂的主要作用是降低化学反应的活化能，加快反应速度，因此被广泛应用于炼油、化工、制药、环保等行业。催化剂的技术进展是推动这些行业发展的最有效的动力之一。一种新型催化材料或新型催化工艺的问世，往往会引发革命性的工业变革，并伴随产生巨大的社会和经济效益。1913年，铁基催化剂的问世实现了氨的合成，从此化肥工业在世界范围迅速发展；20世纪50年代末，Ziegler－Natta催化剂开创了合成材料工业；20世纪50年代初，分子筛凭借其特殊的结构和性能引发了催化领域的一场变革；20世纪70年代，汽车尾气净化催化剂在美国实现工业化，并在世界范围内引起了普遍重视；20世纪80年代，金属茂催化剂使得聚烯烃工业出现新的发展机遇。
目前，人类正面临着诸多重大挑战，如：资源的日益减少，需要人们合理开发、综合利用资源，建立和发展资源节约型农业、工业、交通运输以及生活体系；经济发展使环境污染蔓延、自然生态恶化，要求建立和发展物质全循环利用的生态产业，实现生产到应用的清洁化。这些重大问题的解决无不与催化剂和催化技术息息相关。因此，许多国家尤其是发达国家，非常重视新催化剂的研制和催化技术的发展，均将催化剂技术作为新世纪优先发展的重点。
催化剂和催化作用：催化剂能加速化学反应而本身不被消耗的物质。催化作用是一种化学作用，是靠少量催化剂来加速化学反应的现象。
催化剂的基本特性：加快反应速度，但只能加速热力学上可能进行的化学反应；不能改变化学平衡的位置，故对正反应有效的催化剂对逆反应也有效；对反应有选择性。
催化剂的分类：目前工业上用的催化剂有2000多种，有不同的分类方法，按工艺与工程特点分为多相固体催化剂、均相配合物催化剂和酶催化剂三类。2. 均相催化
催化剂和反应物同处于一相，没有相界存在而进行的反应，称为均相催化作用，能起均相催化作用的催化剂为均相催化剂。均相催化剂包括液体酸、碱催化剂和色可赛思固体酸和碱性催化剂。溶性过渡金属化合物(盐类和络合物)等。均相催化剂以分子或离子独立起作用，活性中心均一，具有高活性和高选择性。
均相催化剂: 催化机理易于研究和表征；活性大于多相催化剂；与反应混合物分离困难；昂贵，中心离子多为贵金属；热稳定性较差，以致限制反应温度的提高，转化率低而催化剂耗损大；对金属反应器腐蚀严重。
3. 多相催化
多相催化剂又称非均相催化剂呈如今不同相的反应中，即和它们催化的反应物处于不同的状态。例如：在生产人造黄油时，通过固态镍（催化剂），能够把不饱和的植物油和氢气转变成饱和的脂肪。固态镍是一种多相催化剂，被它催化的反应物则是液态（植物油）和气态（氢气）。一个简易的非均相催化反应包含了反应物吸附在催化剂的表面，反应物内的键因十分的脆弱而导致新的键产生，但又因产物与催化剂间的键并不牢固，而使产物出现。现已知许多表反应发生吸附反应的不同可能性的结构位置。
多相固体催化剂：应用广；易与反应系统分离；催化过程易于控制，产品质量高；催化机理复杂。
4. 生物催化
酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物（绝大多数的蛋白质。但少量RNA也具有生物催化功能），旧称酵素。酶的催化作用同样具有选择性。例如，淀粉。酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。当前，酶制剂的应用日益广泛。(例如：酶制剂在工业上可作催化剂使用，某些酶还是珍贵的药物。)
生物催化剂：高效性（用量少，活性高）、高选择性（底物专一性，即每一种酶只能催化已知或一族特定底物的反应；反应专一性，即只能催化某种特定的反应）、反应条件温和（常温、常压和接近中性的PH下进行）、自动调节活性（酶的活力受到多方面因素的控制，通过自动调节酶的活性和酶量，以满足生命过程的各种需要）。
5. 催化剂在各工业过程中的重要作用
催化剂在合成氨、石油炼制、精细化工、专用化学品工业及三大合成（合成树脂与塑料、合成橡胶及合成纤维）工业中的应用。
5.1 催化剂在合成氨中的应用
合成氨催化剂：有机硫加氢转化催化剂、脱硫剂、烃类蒸汽转化催化剂、高变换催化剂、高(中)温变换催化剂、宽温耐硫变换催化剂、低温变换催化剂、甲烷化催化剂、氨合成催化剂等。
5.11 有机硫加氢转化催化剂
有机硫加氢转化催化剂主要有钴钼催化剂和铁钼催化剂2种。该类催化剂在大型合成氨装置平均使用寿命已超过10年，使用的技术已达国外先进水平。降低床层阻力、堆密度及使用温度，提高活性，实现器外预硫化是今后的发展趋势。脱硫剂主要有氧化锌脱硫剂、铁锰脱硫剂和氧化铁脱硫剂，高温复合氧化物脱硫剂是今后的发展趋势。其他净化剂主要有脱氯剂、脱砷剂等。
5.12 氧化锌脱硫剂
氧化锌脱硫剂是以zno为主要组分，添加cuo、mno、a1203等为促进剂的精细脱硫剂，因其脱硫精度高、使用简便、性能稳定可靠、硫容高而占据着重要地位，广泛应用于合成氨、制氢、合成甲醇、煤化工、石油炼制、饮料生产等行业，以脱除天然气、石油馏分、油田气、炼厂气、合成气(h2+co)、二氧化碳等原料中的硫化氢及某些有机硫。由于氧化锌脱硫剂可将原料气(油)中的硫脱除到0.5～0.1μg／g以下，从而保证了下游工序的蒸汽转化、低变、甲烷化、甲醇、低压联醇、羰基合成等含镍、铜、铁及贵金属催化剂免于硫中毒。
5.13 烃类蒸汽转化催化剂
烃类蒸汽转化催化剂主要用于以天然气或焦炉气为原料的合成氨装置。
该催化剂呈大孔结构，孔容大于或等于0.2m1／g、孔径大于或等于300nm的孔占催化剂总孔容的60%以上。具有转化活性高、低温还原性能好、抗结炭能力强、耐冲刷、阻力小等特点，特别适用于低水炭碳低温节能工艺一段转化炉。用于传统合成氨厂一段炉，使用效果更佳。该催化剂易于装填，低温活性好，操作温度可降低20～30℃；抗结炭能力强，使用初期到末期，炉管阻力基本保持不变。现已用于四川天华公司、建峰化工总厂两家布朗工艺装置以及川化、美丰等大中小型合成氨厂。
5.2 催化剂在石油炼制中的应用
催化剂工业中一类重要产品，包括催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化、异构化、烷基化、叠合等过程中所用的催化剂，其中催化裂化、催化重整、加氢精制为三种主要石油炼制催化剂，有许多种牌号。催化裂化催化剂年产量达300kt左右。
5.21 催化裂化
催化裂化催化剂流化床催化裂化早期主要使用微球无定形硅酸铝催化剂，60年代发展起来的稀土-X型、稀土-Y型、氢-Y型分子筛催化剂，迅速取代了硅酸铝催化剂。近年来，分子筛裂化催化剂改用硅溶胶或铝溶胶等为粘结剂，将分子筛、高岭土粘结在一起，制成了高密度、高强度的新一代半合成分子筛催化剂。所用分子筛除稀土-Y型分子筛外，还有超稳氢-Y型分子筛等。这类催化剂迅速推广应用并形成适合不同用途的品种系列，包括渣油裂化用的抗金属污染裂化催
化剂、高辛烷值汽油的裂化催化剂、减少空气污染的吸氧化硫裂化催化剂等。
此外，催化裂化中还使用含有促进一氧化碳燃烧组分的裂化催化剂或一氧化碳助燃剂，使再生器中一氧化碳全部转化为二氧化碳，以回收能量，减少一氧化碳的大气污染。
5.22 催化重整
催化重整催化剂初期的催化重整催化剂为铂金属催化剂，用含氟氧化铝作载体。60年代出现了铂－铼、铂-锗、铂-锡、铂-铱等双金属催化剂,还有增加了第三组分的多金属催化剂。目前,使用最多的是铂-铼催化剂，其次是铂-锡催化剂，均以含氯γ-氧化铝为载体，在运转中通过控制循环氢中的水氯平衡来调节催化剂酸性。催化剂中铂含量一般为0.375%～0.6%。近年来，由于载体孔分布、浸渍技术等的改进，新一代重整催化剂的活性、选择性和寿命均有所提高，某些牌号催化剂中铂的含量已降到0.25%。
5.23 加氢精制
加氢精制催化剂主要是钼-钴、钼-镍、钨－镍等硫化物催化剂，以γ-氧化铝或加少量氧化硅的γ-氧化铝为载体。形状一般为小条或小球。商品中氧化钼、氧化钨含量一般为15%～18%，氧化镍、氧化钴含量一般约 3%。在加氢装置上硫化成为硫化物催化剂再使用。钼-钴催化剂多用于加氢脱硫，钼-镍催化剂多用于加氢脱氮，钨-镍催化剂多用于芳烃饱和,还有钼-钴-镍催化剂具有更好的脱硫活性和脱氮活性。此外，还有用于喷气燃料芳烃加氢和溶剂油精制的铂、钯金属催化剂。
70年代，加氢精制催化剂的重大技术进步，是出现三叶形、四叶形等异形催化剂。它们具有活性高、强度好、压降小等特点。近年来，加氢精制催化剂改善了载体孔分布以及浸渍等制备技术，提高了活性和寿命，达到了降低反应温度、压力、氢油比等以节省加氢装置能耗的目的。为适应常压渣油加氢处理的需要，还发展了加氢脱金属催化剂。
5.23 加氢裂化
加氢裂化催化剂以贵金属钯或钼-镍、钨-镍硫化物等为加氢组分,无定形硅铝、超稳Y型分子筛等为裂化组分所制成。
此外,常用的还有：烯烃叠合用的磷酸-硅藻土催化剂；石油烃烷基化用的硫酸或氢氟酸催化剂；烃类异构化用的铂-丝光沸石分子筛催化剂；柴油降凝用的ZSM 择形分子筛催化剂等。
6.催化剂的展望
当今，由于油品市场变化，环境要求日益严格，以及原价价格上升等影响，对世界各国石油化工催化剂提出了更高的要求。一个发展方向是进行有目的的石油产品深度加工研究，为用户提供清洁燃料。
（1）用C3、C4、C5混合物进行烷基化，取代被淘汰的MTBE燃油添加剂，烷基化之后辛烷值可以提高。
（2）在现有催化剂基础上，提高催化剂脱硫、脱氮、防止结炭、加氢脱蜡等性能。
（3）其他准备研究开发的新方向是使用固体酸进行烷基化；研究生物技术进行加氢脱硫的可能性；油田伴生气的有效利用等。
总体看来，催化剂工业今后研究开发的方向是加强技术研究，开发符合环保法律规定的催化剂以及适应石油工业深加工，综合利用油、气资源，生产下游石化产品、润滑油脂等需要的催化剂。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）