《工业催化基础》课件(第1章绪论).ppt
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1、第一章:绪论,主要内容:催化剂的基本知识;催化剂的重要应用领域;工业催化的常用术语。掌握催化剂的基本知识;了解催化剂的重要应用领域;掌握工业催化的常用术语。,化工资源有效利用国家重点实验室 1,第一节 催化剂的基本知识,催化剂和催化作用:何谓催化剂?先看一个例子:通常情况下,将N2分子和H2分子混合在一个惰性的容器中,即使在500下,也几乎检测不到NH3的生成。虽然N2分子和H2分子化合生成NH3是一个热力学允许的可逆放热反应:N2+3H2 NH3 H500109 kJ/mol 但如果在N2分子和H2分子混合气体的体系中有少量Fe存在,就会有NH3生成,其中Fe就称为催化剂,对NH3的生成起着
2、关键的作用。,化工资源有效利用国家重点实验室 2,Fe的催化作用本质:(1)没有催化剂,N2分子和H2分子化合生成NH3是一个均相的化学反应过程,要经过N2分子的NN键和H2分子的HH键断裂和NH键的形成,N2分子和H2分子都非常稳定,经均相化学反应合成NH3需要很大的能量,即反应的活化能很高(在500,常压条件下活化能为334.6kJ/mol),在这种情况下,反应极慢,以至于生成NH3的量甚微,常规方法都难以测出。,化工资源有效利用国家重点实验室 3,第一节 催化剂的基本知识,(2)采用Fe作为催化剂时,N2分子和H2分子化合生成NH3的活化能大大降低了(反应 途径发生了变化)。N2分子和H
3、2分子首先在Fe催化剂表面发生化学吸附,使得N2分子和H2分子的化学键削弱,然后化学吸附的氮(Nad)和化学吸附的氢(Had)在催化剂表面相互作用,并经过一系列的表面化学反应,最后生成的NH3分子从催化剂表面脱附生成产物NH3,反应途径、反应机理和反应过程的能量关系如下:,合成NH3反应途径:,第一节 催化剂的基本知识,反应机理和反应过程的能量如下:,Reactions at Surfaces:From Atoms to Complexity(Nobel Lecture)by Gerhard Ertl Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,3524 3535,第一节 催化剂的基本
4、知识,催化剂定义1981年,国际纯粹和应用化学协会(IUPAC)对催化剂有一个明确的定义。即:催化剂是一种物质,它能够改变化学反应的速率,而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化;此过程称为催化作用,涉及催化剂的反应称为催化反应。,化工资源有效利用国家重点实验室 6,第一节 催化剂的基本知识,催化剂:现代化学工业的基石90以上的化工产品是借助催化剂生产出的,没有催化剂,就不可能建立现代化学工业。如:无机化学工业中的合成氨、硝酸、硫酸等的生产石油加工中的催化裂化、催化重整等过程石油化工中醇、醛、酸、酯的生产三大合成高分子材料的生产煤化工与天然气化工过程生物化工中的酶催化过程环保催化过程等,化工资
5、源有效利用国家重点实验室 7,第二节 催化剂的重要应用领域,二十世纪工业催化的一些重大发明,第二节 催化剂的重要应用领域,第二节 催化剂的重要应用领域,二十世纪工业催化的一些重大发明,石油炼制:指对不同沸程的石油馏分经催化转化成各种燃料油,润滑基础油,化工原料的过程。这是催化剂最重要的应用领域,使用的催化剂包括各种固体酸,分子筛,负载型金属催化剂等;催化反应过程有催化裂化,催化重整,催化加氢等;反应工艺有固定床、流化床、提升管催化裂化、铂重整、连续移动床低压铂重整、常压渣油催化裂化等。,化工资源有效利用国家重点实验室 10,第二节 催化剂的重要应用领域,石油化工:指一切以石油烃为原料生产各种化
6、工产品的催化过程,包括一些基本有机化工原料合成的催化过程,所用的催化剂种类很多。一些重要的催化过程有:催化加氢与脱氢;催化水合与脱水;烃类的异构和芳构;芳烃烷基化,歧化及烷基转移;烯烃二聚及齐聚等。,细精化工:指对基本化学工业生产的初级或次级化学品进行深加工,特别具有特定功能,特定用途且附加值高的化工产品的化工过程。涉汲到氧化反应,还原反应,碳链增减反应,重排反应,杂环合成反应,不对称合成工艺等。广泛使用酸碱催化剂,超强酸碱催化剂,分子筛择形催化剂,金属化合物和配合物催化剂,手性催化剂,相转移催化剂等。,化工资源有效利用国家重点实验室 11,第二节 催化剂的重要应用领域,合成材料:通常指合成树
7、脂,合成纤维,合成橡胶这三大合成材料合成树脂-聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯,聚酯等;合成纤维-涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维、腈纶(聚丙烯腈)纤维、维伦(聚乙烯醇)纤维等;合成橡胶-丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶,碳一化学:碳一(C1)化学主要研究含一个碳原子的化合物,如甲烷,甲醇,CO,CO2,HCN等参与的化学反应。目前已可按C1化学的路线,从煤和天然气出发,生产出新型的合成燃料,以及乙烯,丙烯,芳烃等重要的起始化工原料。而这些新工艺的开发,首先要解决催化剂这一关键问题,特别是煤经合成气(CO+H2)制甲醇,由F-T合成制汽油、柴油等。甲醇催化转化制乙烯、丙烯等可大大缓解对石油的消耗
8、,对可持续发展有重要的意义。,化工资源有效利用国家重点实验室 12,第二节 催化剂的重要应用领域,基础无机化工:基础无机化工产品如硫酸,硝酸,合成氨等种类虽然不多,但产品相当大。其中硫酸是世界产量最大的合成化学品之一。目前硫酸的生产是用催化剂氧化SO2制得;硝酸是在铂铑催化剂作用下,氨催化氧化制得;合成氨工业使用的催化剂达8种以上,包括加氢脱硫钴钼基、锌基催化剂;一段转化、二段转化镍基催化剂;中温变换铁基催化剂;低温变换铜基催化剂;甲烷化镍基催化剂;氨合成铁基催化剂等。,生物催化:指在生物催化剂(俗称酶)作用下的反应过程。主要包括:医药和农药工业中-抗生素、维生素、激素等多种医药、农药等;食品
9、工业中-氨基酸、有机酸、甜味剂、调味品、醇类饮料、发酵食品等;化学工业中-用生物催化剂生产甲醇、乙醇、丁二醇、异丙醇、丙二醇、木糖醇、柠檬酸、葡萄糖酸、已二酸、丙酮、甘油等化工原料以及生产多糖、葡萄糖、可生物降解高聚物聚羟基丁酸等;在能源工业中-采用生物催化剂可以从纤维素,淀粉,有机废弃物等可再生资源大量生产甲烷,甲酸,乙酸等,这对于减少化石资源的消耗和净气体CO2的排放,充分利用生物质等可再生资源有重要的意义和应用前景。,第二节 催化剂的重要应用领域,环境催化:指利用催化剂控制环境不能接收的化合物排放的化学过程,同时也包括那些应用催化剂生产少污染的产物,以及能减少废物和无副产污染物的绿色化学
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