催化-多相催化原理与实践课件.ppt

1、 绪 论n本课程的性质 是化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工、工业催化、物理化学、有机化学、高分子化学与物理、制药工程与环境工程等化工类研究生专业必修课程。n主要任务 通过学习催化作用的基本原理，了解催化过程的化学本质，熟悉催化过程和催化反应器的设计与开发的基本方法，掌握催化反应过程建模、过程优化与控制基础理论，并能够将新型催化剂与催化过程开发原理运用到资源的化工利用、化学制药、环境保护、生物工程技术、新材料和新能源等工业领域。化学与化工是自然科学技术发展的基化学与化工是自然科学技术发展的基础学科之一础学科之一(Chemistry)n无机化学无机化学n分析化学分析化学n有机化学有机化学n物

2、理化学物理化学n高分子化学与物理高分子化学与物理(Chemical Engineering and Technology)n化学工程化学工程n化学工艺化学工艺n生物化工生物化工n应用化学应用化学n工业催化工业催化是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和变化过程中能量关系的学科是运用化学原理和机械原理，将物质的组成、结构、性质变成目标产品的过程工程学科上海交通大学首任化工系系主任苏元复院士（1910-1991）社会的物质需求推动化学化工学科发展社会的物质需求推动化学化工学科发展JACK Welch1935年11月19日出生于美国麻萨诸塞州。1957年获得马萨诸塞大学1960年获得伊利诺伊大学，

3、毕业后就进入GE公司1971年成为GE化学与冶金事业部总经理1979年8月，成为GE副董事长1981年成为GE董事长兼CEO催化是什么？n催化是一种自然现象，早已在生物体中存在的现象。生物酶催化是生命的基础（在一个简单的生物细胞中约有3000个化学反应）n光合作用是一种能量储存与转换方式，叶绿素将光子吸收后，通过一系列酶催化过程将CO2和水转化为人体所能吸收的糖份n人类很早就学会利用自然催化过程。如利用酵素将各种果子酿成美酒n系统的催化研究始于19世纪初，Davy(1815)进行了催化燃烧实验,Berzelius(1836)通过一系列化学实验，创造了“catalysis”一词,给催化一个初步的

4、定义 催化作用基础催化作用基础n催化作用定义:催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化n催化剂改变了中间反应途径,为反应物分子提供了一条较易进行的反应途径,加速化学反应趋于热力学平衡点n催化作用基本特征:1.催化剂只能加速热力学上可行的反应，不能加速热力学上无法催化剂只能加速热力学上可行的反应，不能加速热力学上无法进行的反应进行的反应2.催化作用不能改变化学平衡，只能加速反应趋于平衡催化作用不能改变化学平衡，只能加速反应趋于平衡3.催化作用通过改变反应历程而改变反应速度催化作用通过改变反应历程而改变反应速度4.催化剂对反应具有选择性催化剂对反应具有选择性多

5、相催化反应研究背景n催化作用是现代工业极其重要的过程，是现代世界最重要的技术之一，如果没有催化作用，现在的生活将与我们实际所看到的截然不同。目前，大约90%的化学品与材料是借助催化作用通过分步反应生产出来的。氨的催化合成催化科学研究历史中里程碑n从从19世纪后期世纪后期20世纪初叶，催化应用加速了过程工业世纪初叶，催化应用加速了过程工业发展，如无机化工中的合成氨、硝酸和硫酸生产等发展，如无机化工中的合成氨、硝酸和硫酸生产等n1909年年7月月，F Haber发明高压法合成氨过程，获得发明高压法合成氨过程，获得90克产品。克产品。Haber因此而获得因此而获得1918年年Nobel Prize。

6、M Bosch在在BASF实验室发明的多组分熔铁催化剂推实验室发明的多组分熔铁催化剂推动了合成氨的工业化。动了合成氨的工业化。1917年，运用年，运用H-B过程，在过程，在BASF形成形成60吨合成氨生产能力，吨合成氨生产能力，M Bosch也获得了也获得了1931年年Nobel Prizen目前，世界合成氨的产量已经达到目前，世界合成氨的产量已经达到8000万吨以上万吨以上我国化学工程与技术学科的发展我国化学工程与技术学科的发展中里程碑中里程碑n1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天厨味精厂（1923）、天原电化厂（1929）和天盛陶器厂（193

7、4），以及范旭东在天津创办的永利碱厂，这些化工原料的生产推动了我国化学工业的发展n合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅速发展，也带动了一系列化学工程基础理论工作，如化工热力学、化学工艺学、工业催化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝试10万多个配方，至今仍是催化界研究的方向n1928年发现的多孔白土催化剂应用于重油裂化过程年发现的多孔白土催化剂应用于重油裂化过程(cracking technology)，生产了高辛烷值燃料，生产了高辛烷值燃料(higher octane fuel)，使得二，使得二战期间盟军战斗机获得更好的燃料战期间盟军战斗机获得更好的燃料n20世纪60年代，美国Mobile公司

8、将作为新催化材料应用于催化裂化后，催化裂化技术出现了重大突破，炼油工业产生新的飞跃。采用稀土促进的沸石分子筛裂化催化剂后，炼油装置的生产能力和汽、柴油产量大幅度提高。在美国只经过短短的四五年时间就取代了传统的硅铝催化剂，被誉为“”n1967年，发展了双金属重整催化剂（年，发展了双金属重整催化剂（Pt-Re,Pt-Ir)，提高了汽油品质，提高了汽油品质催化科学进步使石油化工迅速发展成催化科学进步使石油化工迅速发展成世界经济支柱产业世界经济支柱产业催化技术是变革石油化工过程的核心催化技术是变革石油化工过程的核心石油化工石油化工炼油工艺石油化工技术精细石油化学品技术汽油、柴油、润滑油乙烯、丙烯、丙酮

9、、甲苯等等精细化学品化工新材料催化作用改变反应途径和目标产物实例：催化作用改变反应途径和目标产物实例：合成气选择性催化转化利用CO+H2Syngas合成气乙醇甲醇甲烷二甲醚合成汽油Pt/Rh/SiO2Cu-Zn-ONiCu,ZnCo,Ni,Fe甲醇催化利用途径甲醇催化利用途径n改进现有催化剂体系，革新已有反应工艺路线，促进新工艺过程开发，提高目标产品的收率和选择性，改善产品质量n通过新型催化剂的开发，更新化工生产原料路线，采用更廉价的起始原料，增加产品竞争能力n为环境友好的化学工艺和化工新产品开发而研制催化剂催化反应过程与绿色化学工艺是给化学家出的课题。而实现过程工业“”是化学工程师的主要任务

10、催化在新技术产业中的作用催化在新技术产业中的作用现代工业科技的发展离不开催化技术的应用，尤其是化工、食品、制药、新材料、新能源、环境保护技术与生物科技等产业。催化研究新方向可具体概括成以下几个方面：电化学和光电化学中的催化剂（燃料电池、光敏化电化学和光电化学中的催化剂（燃料电池、光敏化电池、太阳能电池等）电池、太阳能电池等）电动汽车电动汽车天然气催化氧化天然气催化氧化未来能源科技的核心未来能源科技的核心基于太阳能的可再生能源系统规基于太阳能的可再生能源系统规模化模化应用途径光解制氢光解制氢氢燃料发动机氢燃料电池规模化应用光热利用光热利用光伏发电光伏发电 电催化：电催化：燃料电池电极催化反应过程

11、燃料电池电极催化反应过程氢的阳极氧化:2H2-4e-4H+氧的阴极还原:O2+4H+4e-2H20催化反应分类n非均相催化（多相催化）Heterogeneous catalysis:the catalyst and reactant are in different phasesn均相催化 Homogeneous catalysis:the catalyst and reactant are in the same phasen按照不同催化方式分类：光催化、电催化、生物酶催化（Enzymatic catalysis）、相转移催化n按照反应类型进行分类：催化加氢、脱氢、氧化、羰基化、聚合、卤化、

12、脂化、裂解、重整、水合n按照反应机理进行分类：酸碱型催化反应、氧化还原型反应推荐阅读文献nMichael Bowker,The Basis and Applications of Heterogeneous Catalysis,Oxford Press,1998nJ.M.Thomas,W.J.Thomas,Principles and practice of heterogeneous catalysis,VCH,1997n黄仲涛主编，黄仲涛主编，工业催化工业催化，化学工业出版社，化学工业出版社，2000n王尚弟，孙俊全，王尚弟，孙俊全，催化剂工程导论催化剂工程导论，化学工业出版社，化学工业出版社，2001n催化学报、石油化工、分子催化、工业催化和化学反应工程与工艺、化工学报和高校化学工程学报等中文期刊nAIChE Journal nJournal of CatalysisnApplied Catalysis A,B,C nCatalysis Today nChemical Engineering Science