精細(xì)化工-催化劑

1、其它精細(xì)化工產(chǎn)品 催化劑小組成員：講 解：方國清PPT材料搜集：范乃勇 張美精1催化劑的定義與特征催化劑的分類催化劑的基本組成催化劑的反應(yīng)性能主要內(nèi)容200 cpsi400 cpsi600 cpsi2概述近年來，化學(xué)工業(yè)隨著新型催化劑的研究成功和廣泛應(yīng)用獲得了迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中約有90%的化學(xué)反應(yīng)與催化劑有關(guān)，催化劑已成為化學(xué)工業(yè)的中樞。3 什么是催化劑？ 吃的是草，產(chǎn)的是奶？41、催化劑定義與特征定義國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）于1981年提出定義：催 化 劑 是一種物質(zhì)，它能加速反應(yīng)的速率而不改變?cè)?反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Gibbs自由能變化其它定義：催化劑是一種加快熱力學(xué)上允

2、許的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的速率，而在反應(yīng)過程中自身不被明顯消耗的物質(zhì)催化劑是一種能夠改變化學(xué)反應(yīng)速度，而它本身不參與最終產(chǎn)物的物質(zhì)5催化劑的基本特性一改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)活化能，加快反應(yīng)速度（催化劑的共性 有活性）1/2N2 3/2H2 NH3E1Na+3Ha吸附脫附能量反應(yīng)歷程E非NH31/2N2+3/2H2E2(NH3)a表面反應(yīng)通過改變反應(yīng)歷程，使反應(yīng)沿一條新的途徑進(jìn)行，此途徑是幾個(gè)基元反應(yīng)組成，而基元反應(yīng)活化能都很小，因此反應(yīng)所需克服的能壘值大大減少Fe催化反應(yīng)速率非催化反應(yīng)速率 31013（ 500 常壓 ）6催化劑的基本特征二只能加速熱力學(xué)上可行的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反

3、應(yīng)只有熱力學(xué)允許，平衡常數(shù)較大的反應(yīng)加入催化劑才有意義在開發(fā)新反應(yīng)催化劑時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，看它在給定條件下是否屬于熱力學(xué)上可行的反應(yīng)G 0G 0 = - RT lnK7催化劑的基本特征三催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性（催化劑的專用性）專一對(duì)某一反應(yīng)起加速作用的性能為選擇性CH3CHO + H2200-250 CuAl2O3ZnO-Al2O3Cu（活化）350-380 Al2O3250 Na400-450 Cu(COO)2C2H4 + H2O(C2H5)2 O+ H2OC4H9 OH + H2OCH2=CH-CH=CH2 + H2O + H2C2H5OH甲乙醚乙酸丙酯CH3COOCH2C2H5

4、+ H2CH3CH2OCH3 + H2 + CO同一催化劑，條件不同，產(chǎn)物也不同8催化劑的基本特征四只能加速反應(yīng)趨于平衡，而不能改變平衡位置（平衡常數(shù)）G催化 = G非催化簡(jiǎn)而言之：催化劑的基本特征：改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)活化能，加快反應(yīng)速度催化劑對(duì)反應(yīng)具有選擇性只能加速熱力學(xué)上可行的反應(yīng)，而不能加速熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反應(yīng)只能加速反應(yīng)趨于平衡，而不能改變平衡位置催化劑能做什么？催化劑不能做什么？92、催化劑分類催化反應(yīng)分類：同時(shí)具有均相和非均相反應(yīng)的性質(zhì)（活性、選擇性極其高）反應(yīng)物和催化劑處于不同相態(tài)中（氣固、液固、氣液固、氣液）（存在傳質(zhì)問題）反應(yīng)物和催化劑處于同一相態(tài)中（均為氣相或液相）（

5、無傳質(zhì)問題）均相催化反應(yīng)酶催化反應(yīng)非均相（多相）催化反應(yīng)102.1 按聚集狀態(tài)分類112.2 按催化劑組成及使用功能分類122.3 按工藝和工程特點(diǎn)分類 多相固體催化劑 均相配合物催化劑 酶催化劑133、催化劑的基本組成催化劑助催化劑活性組分載體活性組分： 金屬 金屬氧化物或硫化物 復(fù)合氧化物 固體酸、堿、鹽等主要功能：活性載體： 高熔點(diǎn)氧化物 硅膠、粘土、活性炭等主要功能： 高表面積、多孔性、 機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、 雙功能（附加活性中心）助催化劑： 金屬、非金屬等主要功能： 對(duì)活性組分/載體改性14主催化劑（活性組分，Active components ）催化劑的主要成分，起催化作用的根本性

6、物質(zhì)氨合成催化劑：Fe - K2O - Al2O3 Fe 為主催化劑助催化劑（助劑， Promoter ）催化劑的輔助成分，其本身無活性或活性很小，但少量加入，可明顯提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性（壽命）等AL2O3ZnOCu合成甲醇催化劑：Cu - ZnO - Al2O3 ZnO 為助催化劑（阻隔Cu 微晶長(zhǎng)大） Al2O3 為助催化劑（阻止鐵燒結(jié)）15載體（Support or Carrier）催化劑活性組分（助劑）的分散劑和支撐體，是負(fù)載催化劑活性組分的骨架，通常為具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的多孔性物質(zhì) 多數(shù)催化劑需借助于載體，把活性組分分散在有高孔隙率的載體顆粒表面上 如：Pt / Al2O3

7、16載體的功能：增大活性表面和提供適宜的孔結(jié)構(gòu)（載體最基本的功能）增強(qiáng)催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，使催化劑具有一定形狀改善催化劑的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性提供附加活性中心174、催化劑的反應(yīng)性能184.1 活性催化劑對(duì)反應(yīng)加速的程度，用來衡量催化劑效能大小的指標(biāo)表示方法：比活性轉(zhuǎn)換頻率（Turnover frequency）/ 轉(zhuǎn)換數(shù)（ Turnover number）轉(zhuǎn)化率（一定溫度、空速下）時(shí)空收率（時(shí)空得率）單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)催化活性中心上發(fā)生反應(yīng)的次數(shù) X（轉(zhuǎn)化率） = （已轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物量 / 起始的反應(yīng)物量） 100%一定條件下，單位時(shí)間、單位體積（或質(zhì)量）催化劑上所得目的產(chǎn)物量a = k / S常用催化

8、反應(yīng)的比速率常數(shù)來表示表面比速率常數(shù)體積比速率常數(shù)質(zhì)量比速率常數(shù)194.2 選擇性指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的分率。用來描述催化劑上兩個(gè)以上相互競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的相對(duì)速率表示方法：選擇性 S選擇性因素（選擇度 s）S（選擇性）= 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物所消耗的該反應(yīng)物量 / 某反應(yīng)物轉(zhuǎn)化總量 100%Y（產(chǎn) 率） = 轉(zhuǎn)化率 選擇性s = k1 / k220活性和選擇性難兩全時(shí)的評(píng)述方法：原料昂貴，產(chǎn)物和副產(chǎn)物分離困難：選擇高選擇性原料便宜，產(chǎn)物和副產(chǎn)物分離不困難：選擇高轉(zhuǎn)化率對(duì)工業(yè)催化劑來說，注重選擇性往往超過對(duì)活性的要求！214.3 穩(wěn)定性（壽命）穩(wěn)定性是指催化劑活性和選擇性隨時(shí)間變化的情況壽命是指在

9、反應(yīng)條件下維持一定活性和選擇性的時(shí)間（從開始使用到活性下降到生產(chǎn)不能再用時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間）穩(wěn)定期衰老期成熟期ab運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間催化劑活性壽命曲線22催化劑穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性（活性組分揮發(fā)、流失；活性組分燒結(jié)或微晶長(zhǎng)大， 進(jìn)而比表面、活性位減少）化學(xué)穩(wěn)定性（穩(wěn)定的催化劑化學(xué)組成和化合狀態(tài)，活性組分和 助催化劑不產(chǎn)生化學(xué)變化）抗污穩(wěn)定性（催化劑表面積焦、積炭）抗毒穩(wěn)定性（催化劑對(duì)有害物質(zhì)毒化的抵抗能力）催化劑中毒可逆中毒（再生復(fù)活，如采用適宜的氣體吹掃脫除吸附毒物）不可逆中毒含硫、氧、氮、砷的化合物、鹵素化合物、重金屬化合物、金屬有機(jī)化合物等（來源于原料中雜質(zhì)或反應(yīng)副產(chǎn)物）表面活性中心吸附毒物，轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的表面化合物，鈍化催化活性位23對(duì)工業(yè)催化劑的要求工業(yè)固體催化劑的性能指標(biāo)高活性（含選擇性）良好的流體力學(xué)傳質(zhì)、傳熱性質(zhì)高穩(wěn)定性高活性比表面高度專一的活性表面適宜孔大小及其分