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1、第第2章章 催化作用与催化剂催化作用与催化剂-本章主要内容本章主要内容催化剂的基本概念和催化作用的基本特征催化剂的基本概念和催化作用的基本特征催化剂的组成与功能催化剂的组成与功能工业催化剂的基本要求工业催化剂的基本要求催化剂的组成催化剂的组成工业催化剂工业催化剂通常通常不是单一的物质，而是由多种物不是单一的物质，而是由多种物质组成。质组成。绝大多数绝大多数催化剂有三类催化剂有三类可以区分可以区分的组分：的组分：活性组分、载体、助催化剂。活性组分、载体、助催化剂。(1)(1)活性组分：它是催化剂的主要成分活性组分：它是催化剂的主要成分一种物质一种物质组成组成:乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，活性组
2、乙烯氧化制环氧乙烷的银催化剂，活性组分就是银单一物质，分就是银单一物质，多种物质多种物质组成组成:如丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼如丙烯氨氧化制丙烯腈用的钼铋催化剂，铋催化剂，活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。活性组分就是由氧化钼和氧化铋两种物质组合而成。活性组分的选择是首要步骤，但以经验为主。（经验，总活性组分的选择是首要步骤，但以经验为主。（经验，总结，找规律）结，找规律）分类分类：金属、半导体和绝缘体。：金属、半导体和绝缘体。分类的目的：分类的目的：容易寻找规律性便于研究新产品，容易处理，信息便容易寻找规律性便于研究新产品，容易处理，信息便于交流和传播（垃圾，目录）于交流和传播（垃
3、圾，目录）(2)(2)载体：载体：载体是催化活性组分的分散剂、粘合物载体是催化活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。或支撑体，是负载活性组分的骨架。负载型催化剂：负载型催化剂：将活性组分、助优化剂组分负载将活性组分、助优化剂组分负载于载体上所制得的催化剂。于载体上所制得的催化剂。载体分类：载体分类：低比表积、高低比表积、高比表面积比表面积。比表面积：比表面积：比表面积是指单位（质量）物料所具比表面积是指单位（质量）物料所具有的总面积。分外表面积、内表面积两类。有的总面积。分外表面积、内表面积两类。载体的影响：载体的影响：催化剂的活性、选择性，热稳定性，催化剂的活性、选择性，热
4、稳定性，机械强度，关催化过程的传递特性机械强度，关催化过程的传递特性在筛选和制造优良的工业催化剂时，需要弄清载在筛选和制造优良的工业催化剂时，需要弄清载体的物理性质和它的功能。体的物理性质和它的功能。(3)助催化剂：助催化剂：助催化剂特点：助催化剂特点：少量，辅助成分，没有活性或者活性很小，功效少量，辅助成分，没有活性或者活性很小，功效大，助含量效应常比载体的含量效应敏感。大，助含量效应常比载体的含量效应敏感。增泡剂：增泡剂：椰油酰胺丙基氧化胺、月桂酰胺丙基氧椰油酰胺丙基氧化胺、月桂酰胺丙基氧化胺化胺增稠剂：增稠剂：纤维素醚纤维素醚及其衍生物类、缔合型碱溶胀及其衍生物类、缔合型碱溶胀增稠剂和聚
5、氨酯增稠剂、淀粉煮汤增稠剂和聚氨酯增稠剂、淀粉煮汤助催化剂作用：助催化剂作用：改变改变催化剂催化剂的性质：化学组成、化学结构、离子的性质：化学组成、化学结构、离子价态、酸碱性、晶格结构、表面构造、孔结构、价态、酸碱性、晶格结构、表面构造、孔结构、分散状态、机械强度等，从面提高催化剂的活性、分散状态、机械强度等，从面提高催化剂的活性、选择性、稳定性和寿命。选择性、稳定性和寿命。促进促进载体载体功能的热稳定性。功能的热稳定性。助催化剂问题复杂：元素状态加入，化合状态加助催化剂问题复杂：元素状态加入，化合状态加入。加入一种，加入多种，助催化剂之间发生交入。加入一种，加入多种，助催化剂之间发生交互作用
6、。互作用。助催化剂（作用机理）助催化剂（作用机理）分类分类：结构型和电子型。：结构型和电子型。结构型助催化剂：结构型助催化剂：提高活性组分的分散性（使晶提高活性组分的分散性（使晶粒分散不易烧结）、热稳定性（形成高熔点的化粒分散不易烧结）、热稳定性（形成高熔点的化合物、固熔体）、也可提高活性。合物、固熔体）、也可提高活性。电子型助催化剂：电子型助催化剂：改变主催化剂的电子结构，促改变主催化剂的电子结构，促进催化活性及选择性。金属的催化活性与表面电进催化活性及选择性。金属的催化活性与表面电子授受能力有关。子授受能力有关。P24合成氨例子合成氨例子截体的功能截体的功能催化指标：催化指标：活性、选择性
7、和稳定性活性、选择性和稳定性工艺流程的改进：先追求选择性，其次是稳定性，工艺流程的改进：先追求选择性，其次是稳定性，最后是活性。最后是活性。新开发的工艺及其催化剂：高活性、高选择性，新开发的工艺及其催化剂：高活性、高选择性，最后才是稳定性。最后才是稳定性。截体的功能截体的功能（1）提供有效的表面和适宜的孔结构）提供有效的表面和适宜的孔结构(2)(2)增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的形状的形状 (3)(3)改善催化剂的传导性：改善催化剂的传导性：(4)(4)减少活性组分的含量减少活性组分的含量 (5)(5)载体提供附加的活性中心载体提供附加的活性中心
8、 （6 6）与活性组分发生相互作用）与活性组分发生相互作用（1）提供有效的表面和适宜的孔结构）提供有效的表面和适宜的孔结构载体特点：载体特点：高熔点物，热稳定，一定的宏观结构，（相高熔点物，热稳定，一定的宏观结构，（相对价格低）对价格低）活性组分：活性组分：一般无以上特点一般无以上特点催化剂需要催化剂需要一定的宏观结构（由载体决定）：比表面、一定的宏观结构（由载体决定）：比表面、孔结构、孔隙率、孔径分布等，孔结构、孔隙率、孔径分布等，载体的作用载体的作用：提供有效的表面（维持活性组分：提供有效的表面（维持活性组分高度分散高度分散），适宜的孔结构。，适宜的孔结构。降低催化剂的烧结和聚集；对催化剂
9、的活性和选择性会降低催化剂的烧结和聚集；对催化剂的活性和选择性会有很大的影响有很大的影响分散度：指催化剂表面上暴露出的活性组分的原子数分散度：指催化剂表面上暴露出的活性组分的原子数占该组分在催化剂中原子总数的比例占该组分在催化剂中原子总数的比例(2)(2)增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的形状：形状：催化剂的机械强度：催化剂的机械强度：抗磨损、抗冲击、抗重力、抗磨损、抗冲击、抗重力、抗压和适应温变、相变的能力。抗压和适应温变、相变的能力。机械强度高的催化剂，能够经受住颗粒之间、颗粒与气流、机械强度高的催化剂，能够经受住颗粒之间、颗粒与气流、器壁之间
10、的磨损，催化剂运输、装填时的种击，自身的重器壁之间的磨损，催化剂运输、装填时的种击，自身的重量负荷，温变、相变所产生的应力，颗粒孔隙中结焦产生量负荷，温变、相变所产生的应力，颗粒孔隙中结焦产生膨胀等而不致破裂或粉碎。膨胀等而不致破裂或粉碎。机械强度差的催化剂，由于上述种种过程导致其破裂或粉机械强度差的催化剂，由于上述种种过程导致其破裂或粉化，导致流体分布不均，增加床层阻力，乃至被迫停车。化，导致流体分布不均，增加床层阻力，乃至被迫停车。(3)(3)改善催化剂的传导性（热传导）改善催化剂的传导性（热传导）为了适应工业上强放为了适应工业上强放(吸吸)热反应的需要，栽体一热反应的需要，栽体一船应具有
11、船应具有较大的热容较大的热容和和良好的导热性良好的导热性，使反应热，使反应热能迅速传递出能迅速传递出(进进)去，去，避免避免局部过热而引起催化局部过热而引起催化剂的剂的烧结和失活烧结和失活，或，或设备损坏设备损坏还可以避免高温下还可以避免高温下的的副反应副反应，从而，从而提高提高催化剂的催化剂的选择性选择性。(4)(4)减少活性组分的含量：减少活性组分的含量：使用贵金届使用贵金届(加加PtPt、PdPd、RhRh等等)催化剂时，采用栽催化剂时，采用栽体格活性组分高度分散，减少用量有重要意义。体格活性组分高度分散，减少用量有重要意义。降低烧结和聚结。降低烧结和聚结。(5)载体提供附加的活性中心：
12、载体提供附加的活性中心：P26，（6 6）与活性组分发生相互作用）与活性组分发生相互作用溢流现象：溢流现象：定义、必要条例定义、必要条例P26P26强相互作用强相互作用2.3 2.3 对工业催化剂的要求对工业催化剂的要求三个方面的三个方面的基本要求基本要求：活性、选择性和稳定性或者说寿命。活性、选择性和稳定性或者说寿命。其他要求：其他要求：环境友好、生物相容、粒度大小和外环境友好、生物相容、粒度大小和外形、导热性能、比热容、制造工艺、重现性、再形、导热性能、比热容、制造工艺、重现性、再生性生性2.3.1 活性和选择性指标活性和选择性指标 活性：活性：指催化剂影响反应进程变化的程度。指催化剂影响
13、反应进程变化的程度。活性的表达方式：活性的表达方式：给定温度下完成原料的给定温度下完成原料的转化率转化率来表达；活性越高，来表达；活性越高，原料转化率的百分数越大。原料转化率的百分数越大。完成给定的转率所需要的完成给定的转率所需要的温度温度表达，温度越低活表达，温度越低活性越高。性越高。完成给定的转化率所需要的完成给定的转化率所需要的空速空速表达空速越高活表达空速越高活性越好。性越好。空速空速是指单位时间里通过单位催化剂的（原料）的量，它反是指单位时间里通过单位催化剂的（原料）的量，它反应了装置的处理能力。应了装置的处理能力。空速有两种空速有两种表达形式表达形式，一种是体积空速，另一种是质量空
14、速。，一种是体积空速，另一种是质量空速。体积空速体积空速=原料体积流量（原料体积流量（2020，m m3 3.h.h-1-1）/催化剂体积（催化剂体积（m m3 3）质量空速质量空速=原料质量流量（原料质量流量（.h.h-1-1）/催化剂质量（催化剂质量（kgkg）空速的最终单位是空速的最终单位是h-1h-1，反映的是物料在催化剂床层的停留时，反映的是物料在催化剂床层的停留时间：间：空速越大，停留时间越短，反应深度降低，但处理能力增大；空速越大，停留时间越短，反应深度降低，但处理能力增大；空速越小，停留时间越长，反应深度增高，但处理能力减小。空速越小，停留时间越长，反应深度增高，但处理能力减小。