工业催化 -第一章 催化剂与催化作用 (1)
工业催化课程总结
课程目标
01
掌握工业催化的基本原理和概念。
02 了解不同类型催化剂的制备、表征和应用。
03
掌握工业催化过程的设计、优化和控制方 法。
04
提高学生在工业催化领域的实践能力和创 新思维。
02
工业催化原理
催化作用定义
1 2
催化作用定义
催化作用是指通过催化剂降低化学反应的活化能， 加速化学反应速率而不改变反应总热力学平衡的 现象。
催化剂作用机制
催化剂通过提供反应活性位点或反应通道，降低 化学反应的活化能，使反应更容易进行。
3
催化反应特点
催化反应具有高选择性、高转化率和低能耗等特 点，广泛应用于化工、制药、环保等领域。
催化反应动力学
反应速率与反应机理
了解不同反应阶段的反应速率常数、活化能等参数，以及各阶段 的反应机理和相互关系。
活性影响因素 催化剂的活性受多种因素影响， 如活性组分的种类、颗粒大小、 载体等。
催化剂选择性 催化剂的选择性是指其促进特定 反应的能力，在同一反应中，高 选择性催化剂可以获得更纯的产 品或更高的产率。
03
工业催化应用
石油工业
石油工业是工业催化最重要的应用领域之一。催化剂在石油工业中用于提高油品 质量和产量，降低生产成本。例如，通过催化裂化工艺，将重质油裂解成轻质油 品，提高油品的辛烷值和燃烧效率。
实践项目
创新性催化工ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设计
01
学生可以开展创新性的催化工艺设计项目，通过自主研究和团
队协作，提高创新能力和实践能力。
催化剂性能评价
02
学生可以针对特定催化反应，设计和实施催化剂性能评价实验，
了解催化剂的性能表现和优化方向。
工业催化剂的研制与应用
工业催化剂的研制与应用工业催化剂是各种化学反应过程中必不可少的重要物质，其能够促进化学反应的进行并提高反应速率和效率。
催化剂的研制和应用在工业上拥有广泛的应用，可以为工业带来经济效益和环保效益，同时也对促进工业发展起到了重要作用。
一、工业催化剂的种类及作用工业催化剂分为氧化剂、还原剂、酸性催化剂、碱性催化剂、阴离子催化剂等多种类型。
而不同种类的催化剂具有不同的反应机制和反应过程，因此其作用也是不同的。
酸性催化剂是工业上使用最广泛的催化剂，其能够促进酯化、缩醛、缩酮、异构化、分解等反应的进行。
例如，在炼油工业中，一些化合物的加氢和脱氢反应需要使用固体酸作为催化剂，来促进其反应的进行。
碱性催化剂可以促进酰胺、酰基化、酰丙基化、酸化以及酯交换等反应的进行。
在工业上，建筑材料的生产中也需要使用到碱性催化剂，以促进硅酸盐水泥的反应。
二、工业催化剂的研制与应用工业催化剂在各个领域的应用都有所涉及，比如汽车尾气净化、石化、医药制造、化学品生产等。
而不同种类催化剂所涉及的领域和使用情况也是不相同的。
因此，催化剂的研制和应用在工业上具有重要意义。
催化剂的研制往往需要运用到多种高端技术，如前期试验、催化剂的性能测试、反应过程的分析、催化剂结构的表征等。
对于催化剂的容量、性能和结构等方面的优化也是很重要的。
在催化剂的应用方面，需要选择合适的催化剂来促进化学反应的进行。
在选择催化剂时，需要考虑每个反应的特点、参数和条件，以确定使用何种催化剂、反应条件和催化剂的催化效率等。
在实际工业生产过程中，为了提高催化效率和降低成本，需要掌握催化剂的最佳组合和操作条件。
三、工业催化剂的未来研发方向随着科技的不断进步和人类对于环保的重视，工业催化剂的研发方向也将会面临新的挑战和机遇。
未来的工业催化剂将更加注重环境保护，减少化学反应过程中有害物质的排放，提高反应的效率和稳定性。
同时也需要提高催化剂的容量和催化效率，在工业生产过程中实现更加可持续发展的目标。
工业催化原理ppt课件
➢ 对六配位的八面体按SN-1机理进行反应时将形成 五配位中间过渡态构型。按SN-2机理进行时将形 成七配位的中间过渡态构型。
按配位场理论进行的过渡金属氧化物
催化过程
如果我们把吸附物当作配位体，多相催化过程可 以看作是均相配位（络合）催化过程的一个特例。
这样多相反应过程的吸附过程可以引起（稳定化 能）CFSE的变化。如在岩盐型结构氧化物（100） 表面金属离子的配位构型 退过吸附会从正方锥体 五配位变成八面体（六配位）。按SN-1机理吸附 作用对弱场中电子构型为d3和d8离子CFSE是有 利的。相反对反应物脱附来说则弱场中的d4和d9 离子和对强场中的d2，d7，d9离子有利。
B)对于施电子气体吸附（以H2为例）
➢ 对于H2来说，不论在n型还是p型氧化物上以正离 子(H+)吸附于表面，在表面形成正电荷，起施主 作用。
吸附气 半导体类 吸附物种 吸附剂 吸附位
EF
体
型
受电子 气体 （O2）
N型 V2O5）
O2→O2O-,O22-,O2-
P型 Cu2O
O2→O2O-,O22-,O2-
晶体场稳定化能（CFSE）
晶体场稳定化能（CFSE）
➢ d电子处于未分裂的d轨道的总能量和它们进入分 裂的d轨道的总能之差。即d电子从未分裂的d轨 道进入分裂后的d轨道后产生的总能量下降值。
➢ 这种由于中心离子（或原子）d轨道的分离，给予 氧化物（络合物）额外的稳定能，称这种能量为 稳定化能（CFSE）
半导体催化剂化学吸附与催化作用
1、化学吸附 A）受电子气体吸附（以O2为例） （1）在n型半导体上吸附
O2电负性大，容易夺导带电子，随氧压增大而使 导带中自由电子减少，导电率下降。另一方面在 表面形成的负电层不利于电子进一步转移，结果 是氧在表面吸附是有限的。
工业催化反应的原理和应用范围
工业催化反应的原理和应用范围工业催化反应是将反应物转化成所需产物的重要化学过程。
催化剂是通过加速反应速率而增加反应的效率和输出的产物的选择性。
催化剂可以降低反应所需的能量和反应物的浓度，因此它们被广泛应用于现代工业中。
在本文中，我们将探讨工业催化反应的原理和应用范围。
催化反应的原理催化反应是现代工业生产的中心化学过程。
催化剂不是反应的化学原料，而是通过加速反应时化学键的断裂和形成来降低反应所需的能量。
因此，催化剂可以提高反应速率和选择性，同时还可以降低反应的能耗和环境污染物的产生量。
主要的催化反应包括氧化反应、氢化反应、脱氢反应、加氢反应和酯化反应。
这些反应的具体原理如下：氧化反应：氧化反应通常使用金属催化剂，如铜、铬和锰等金属，用于将有机物氧化为CO2和水。
催化剂在反应中失去或获得氧分子，从而实现化学反应。
氢化反应：氢化反应是将有机物转化为更加稳定的化合物，催化剂常用金属催化剂如铂、钯和钌等，从而实现化学反应。
对于农业和医药产业，这些反应都是非常重要的。
脱氢反应：催化剂常用贵金属如钯和铂等，脱氢反应用于将醇和醛转化为酸，或将烃转化为烯烃。
这些反应有利于化学产物的制备和提纯。
加氢反应：催化剂常用铂、氧化铝等，加氢反应适用于碳氢化合物的氢化和重整反应中。
在石油炼制、有机物制备和化工反应中得到了广泛应用。
酯化反应：酯化反应用于合成各种有机化合物，催化剂常用的有焦炭、催化剂氧化铝等。
酯化可以使合成的化合物分子量减小，而且酯化反应常常可以继续进行使化合物的分子量进一步减小。
应用范围工业催化反应具有广泛的应用范围，各种催化剂也在不断地研究和优化中。
以下列举一些比较常见的应用场景：1. 化学工业：化学工业中有大量用于催化反应的催化剂，如加氢裂化、烷基化、烷基化、酯化等，大量的产品都需要经过催化反应才能制得。
2. 能源产业：能源产业中，尤其是石油、天然气、煤等能源产品的提炼工艺需要大量的催化剂进行反应升华。
煤气加氢、合成气生成，也是现代工业必须使用的催化反应。
工业催化剂作用原理—固体酸碱催化剂
工业催化剂作用原理—固体酸碱催化剂工业催化剂是一种能够加速化学反应速率，并且能够在反应结束后原封不动地保留在反应系统中的物质，其作用原理多种多样。
其中，固体酸碱催化剂是一类重要的催化剂，在催化反应中发挥着重要的作用。
其作用原理涉及酸碱理论以及固体催化剂表面反应活性等方面的知识。
固体酸催化剂的作用原理主要涉及酸的质子（H+）捐赠能力。
在催化反应中，酸性固体酸催化剂能够将反应基质中的酸性氢质子化，形成带正电荷的离子。
这个离子会在催化剂表面与反应物进行相互作用并形成中间体，从而提高反应速率。
例如，氧化钒(V)可以从硫酸中脱水剥离出H+，然后与烷烃分子发生反应，生成碳碳双键。
与之相对应的是固体碱催化剂的作用原理。
碱性固体碱催化剂能够从溶液中吸收质子（H+），形成负电荷的离子。
这些离子在与酸性物质反应时能够中和酸性环境，从而增加反应速率。
例如，氢氧化钠可以中和酸性物质中的质子，使得反应物质变得更易于反应。
固体酸碱催化剂的催化作用可以分为两个步骤：吸附和反应。
在催化过程中，反应物分子首先被催化剂表面吸附，并且与表面原子或离子发生相互作用。
吸附可以分为物理吸附和化学吸附两种形式。
在物理吸附中，反应物与催化剂之间的相互作用主要是吸引力力，吸附是可逆的。
在化学吸附中，反应物与催化剂之间形成新的化学键，吸附是不可逆的。
吸附后，反应物分子变得更加容易发生化学反应。
反应发生后，产物分子从催化剂表面解吸释放出来。
此外，固体酸碱催化剂的催化活性与其表面性质相关。
催化剂表面的活性位点可以提供吸附反应物的位置，并且能够提供活化能较低的路径，使得反应能够更快进行。
这些活性位点可以是表面缺陷、孔道结构、拓扑位点等。
总而言之，固体酸碱催化剂的作用原理涉及酸碱理论以及固体催化剂表面反应活性等方面的知识。
通过吸附和反应两个步骤，酸性催化剂可以质子化、碱性催化剂可以质子化，从而提高反应速率。
此外，催化剂表面的活性位点也对催化性能起着关键作用。
化工生产基础理论
①活性组分
催化剂的主要成分，起催化作 用的根本性物质。
固体 催化 剂
②助催化剂
能够提高活性组分的活性和选择 性，改善催化剂的耐热、抗毒、 机械强度和寿命等性能 。
③载体
催化剂的骨架 。
2.工业催化剂的性能指标
（1）催化剂的活性
指催化剂改变化学反应速率的能力。是开发新型催 化剂和改进催化剂性能的主要目标之一。
两种表示方法：
(1) 在单位时间(年、日、小时、分等)内生产的 产品数量，用单位kg/h、t/d或kt/a来表示 (2) 以加工原料的处理量来表示
二、生产能力与生产强度
2.生产强度 指设备的单位容积或单位面积(或底面积) 在单位时间内得到产物的数量，单位为
kg/(h·m3), t/(d·m3)或kg/(h·m2), t/(d·m2)。
二、催化剂的组成与性能
生物催化剂:即酶催化剂，是活性细胞和游离酶或固定
化酶的总称。具有能在常温常压下反应、反应速度快、 催化作用专一、选择性高等优点，但是不耐热，易受某 些化学物质及杂菌的破坏而失活，稳定性差，寿命短， 对温度及PH值范围要求较高。
生物催化剂
非生物催化剂
雷尼镍催化剂
煤制天然气甲烷化催化剂
Process
第一节 工业催化剂及使用
The Industrial Catalysts and Application
应用知识
1.催化 剂的基 本特征。
2.催化剂的 种类、组成、 使用及发展。
3.催化剂 的制备 方法。
应用知识
技能目标：
1.能对催化剂进行装填、更换、活化等操作。 2.能根据反应特点进行催化剂的选择。
❖ 催化剂并非所有部分都参与反应物到产物间的 转化，催化作用是催化剂活性中心对反应物分 子的激发与活化 。
工业催化剂概述详解
工业催化剂概述详解工业催化剂是指在化学反应中起催化作用的物质。
催化剂可以增加反应速率，降低反应温度，提高产率和选择性，并且在反应结束后可以被回收和再利用。
工业催化剂广泛应用于石油化工、化学合成、环境保护和新能源等领域。
工业催化剂主要可分为贵金属、非贵金属、酸性催化剂和碱性催化剂四大类。
贵金属催化剂包括铂、钯、铑等贵金属，常用于催化氢气的加氢反应和有机物的氧化反应。
非贵金属催化剂主要包括氧化物、硅胶和金属催化剂。
氧化物催化剂广泛应用于氧化反应和脱氢反应，硅胶催化剂主要用于裂化反应和有机合成反应。
酸性催化剂具有高酸性，常用于酸催化反应如酯化、酸解和醇醚化等反应。
碱性催化剂具有高碱性，常用于碱催化反应如醇碱酯化和羰基化反应。
工业催化剂的活性主要取决于催化剂的结构和表面特性。
催化剂的结构可以是单一组分的金属或氧化物，也可以是复合物或复合催化剂。
表面特性包括表面活性位点和氧化还原特性。
表面活性位点是催化剂上能与反应物相互作用的活性位点，通常是金属或氧化物表面的缺陷或边缘位点。
氧化还原特性是催化剂在反应中通过催化剂表面上的氧化还原反应参与反应，并影响催化剂的活性。
工业催化剂的制备方法多种多样，常见的方法包括沉淀法、共沉淀法、共沉积法、浸渍法、共掺法和溶胶凝胶法等。
沉淀法是将催化剂前驱体溶液中的金属或氧化物通过加入一定的沉淀剂，使之沉淀成固体的方法。
浸渍法是将催化剂前驱体溶液通过浸渍方式使其渗透到载体中，并通过干燥和煅烧使前驱体转化为催化剂。
溶胶凝胶法是将催化剂前驱体逐渐溶解在溶胶中，然后通过凝胶化和热处理使之形成催化剂。
总之，工业催化剂在化学工业中发挥了重要的作用。
通过催化作用，催化剂能够加速化学反应，提高产率和选择性，降低能量消耗和环境污染。
随着科学技术的不断进步，工业催化剂的研究和发展将会为化学工业的可持续发展做出更大的贡献。
工业催化全书知识点总结
工业催化全书知识点总结1. 催化原理催化是一种通过降低活化能来促进化学反应进行的过程。
在催化剂的作用下，反应物分子间的相互作用能降低，使得化学反应更容易发生。
基本催化原理包括吸附、表面反应和脱附等过程，这些过程在催化剂表面上发生。
2. 催化剂的分类催化剂可以根据其物理和化学性质进行分类。
例如，根据其结构可以分为均相催化剂和异相催化剂，根据其化学性质可以分为酸性催化剂、碱性催化剂和金属催化剂等。
不同类型的催化剂在不同的反应中起着重要作用。
3. 催化反应的动力学催化反应的动力学研究了催化剂在反应中的作用机制，包括催化剂对反应速率的影响、反应物的吸附和解吸过程等。
动力学研究有助于了解催化反应的发生机制，为设计和优化催化剂提供理论指导。
4. 工业催化应用工业催化广泛应用于许多工业领域，如石油加工、化学品生产、环境保护和能源转化等。
其中，石油加工领域的加氢、氧化和裂化反应是最典型的工业催化应用。
5. 新兴催化技术随着科技的发展，新兴的催化技术如纳米催化、生物催化和光催化等逐渐成为研究的热点。
这些新技术能够提高反应的选择性和效率，同时减少对环境的污染，对工业催化领域有着重要的影响。
6. 催化剂的设计与制备催化剂的设计和制备是工业催化的重要环节。
通过合理的催化剂设计和制备工艺，可以提高催化剂的活性和稳定性，从而实现对目标产物的高效转化。
7. 催化剂的表征催化剂的表征是研究催化剂结构和性能的重要手段。
利用各种表征技术如X射线衍射、透射电子显微镜和傅里叶变换红外光谱等，可以了解催化剂的表面形貌、化学成分和晶体结构，为催化机理和性能的研究提供重要信息。
8. 催化反应的工程化工业催化反应的工程化包括了反应工艺的优化、反应装置的设计和运行控制等方面。
通过工程化的手段，可以实现反应的连续生产和自动化控制，提高工业催化过程的经济效益。
总的来说，工业催化全书涵盖了催化原理、催化剂的分类、动力学研究、应用领域、新兴技术、催化剂设计、表征技术和工程化等方面的知识点。
工业催化
（2）固态化学模型分类 ）
i）催化剂组成不改变 相转移 固体间化学反应 ii）催化剂组成变化 催化剂与反应物质发生反应，引起氧化、还原、 碳化物形成。 催化剂组分的流失。 沉积杂质的生成。
b、催化剂的再生(专利技术)
再生的目的：是改变失活催化剂的组成和结构， 使其恢复活性和选择性。 再生方法： （1）烧炭再生（疏通积炭） （2）氧化还原再生（价态变化） （3）浸渍再生（组分变化）
（6）生成物从催化剂孔内向孔外的扩散：内扩 散过程。 （7）生成物从固体表面向气体体相的扩散：外 扩散过程。 外扩散→内扩散→吸附→反应→脱附→内扩散→ 外扩散，共七个步骤。
2、吸附与解吸为控制步骤的反应动力学。 例：合成氨在铁催化剂的反应，经历以下几个 步骤： （1）反应物N2、H2扩散到催化剂表面； （2）N2在催化剂表面上的吸附： （3）H2发生吸附
a= m产物 m产物 或a = t ⋅ V催化剂 t ⋅ m催化剂
k a = s
科学实验中：——“单位催化剂表面上，催化反应的速 率常数”
2、催化反应活性随时间变化： 、催化反应活性随时间变化：
（1）诱导期 （2）成熟期——稳定期（π为催化剂寿命） （3）衰减期：失活，必须再生或更换。
（四）催化剂的选择性（S） 催化剂的选择性（ ）
它有两方面的含义： 1、不同类型的反应需要选择不同的催化剂； 2、对于同样的反应物，如果选择不同催化剂， 可以得到不同产物。
选择不同催化剂，可以得到不同产物
Cu 200~250℃ Al2O3 350℃ Al2O3
CH3CHO+H2 C2H4+H2O (C2H5)2O+H2O
3 2 5
C2H5OH （ 可可25种 种 ） 种
催化剂类型与作用
酸量：通常表示为单位重量或单位表面积上酸位的毫摩尔数。 酸量：通常表示为单位重量或单位表面积上酸位的毫摩尔数。 mmol/wt 或 mmol/m2 亦称酸度。 亦称酸度。
固体超强酸：强度超过 固体超强酸：强度超过100％硫酸的酸强度 H0<－11.9 ％ － 超强碱： 超强碱： 碱强度函数 H－>+26
三、酸碱中心的形成与结构
⒈金属氧化物
碱金属氧化物： O(氧化铷 氧化铷) 碱金属氧化物：Rb2O(氧化铷) 碱土金属氧化物Mgo.Cao.Sro 碱土金属氧化物Mgo.Cao.Sro
固体碱Cat 固体碱 碱位） （B碱位） 碱位
由相应的碳酸盐或氢氧化物经热分解而来。 由相应的碳酸盐或氢氧化物经热分解而来。 通常将碱位称为B 通常将碱位称为B碱，而给予电子部位称为L碱，通过吸附 而给予电子部位称为L 和催化行为的研究表明， 和催化行为的研究表明，碱土金属氧化物表面上存在有四 种强度不同的碱活性位， OH基和活性位 基和活性位Ⅰ 种强度不同的碱活性位，即OH基和活性位Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。
D: 3780 E: 3733
+
O 2−
O 2−
OH
+
O 2− OH
−
E
+
+
+ +
O2−
+ +
O2−
+
O 2−
O2− OH − O2−
+
O 2−
+
B
+
A
图 3-6
J.Peri建议的 建议的γ-AL2O3上酸碱位示意图 建议的
A-E为孤立的OH基的不同类型； ”+“—表示表平面下亚层上的 3 + 离子。 Al