工业催化剂设计.ppt

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1、第十章 工业催化剂设计10.1 工业催化剂设计方法 三个层次（1）原子分子水平上的设计（2）介观尺寸上的设计（3）宏观尺度上的设计 分类（1）框图程序设计方法（2）反应类型设计法（3）计算机辅助设计法,10.1.1 框图程序 1968年 由英国学者提出。见图102,总体设计程序 由英国学者提出。见图103,数值触媒学 20世纪60年代，由日本学者米田幸夫提出。见图104,推荐的催化剂设计框图程序 综合以上几位学者的意见后建议的催化剂设计框图如下,10.1.2 催化剂主要成分设计 方法分类（1）基于催化理论设计活性组分 键合理论：价键理论、分子轨道理论、晶体/配位场理论 能带理论（2）基于活化模

2、式或经验规则设计活性组分,10.1.3 催化剂次要成分设计 主要成分催化效果不理想时，可考虑加入次要组分，一般量很少，但效果却很大 主要有：助催化剂、抑制剂、隔离剂等等 次要组分设计方法分类（1）对症下药法 烃的异构化催化剂不希望酸性太大导致产物裂化加碱（2）机理研究法 弄清机理，精细调节不容易搞清机理,10.2 催化剂类型设计法10.2.1 块状金属催化剂（1）熔融态金属催化剂（2）骨架金属催化剂,结论：（1）两种不同的制备方法导致不同的亚微观态和宏观结构（2）只有熔融法才能得到最佳的催化状态 熔融法催化剂的制备主要控制两个方面：（1）组成物料的熔融过程（2）原子分散体系的精心控制固相化（见

3、图10-7）,（2）骨架金属催化剂 20世纪20年代，M.Raney 发明了骨架镍，后来又有了骨架铜（Ni-Al，Cu-Al合金）及Co、Pt、Pd的二元合金，再后来又发展为加入少量Mo、Cr、Zn的三元合金 最常用的仍然是骨架Ni和骨架Cu加氢反应优点：易以活性金属相的形式贮存（负载型需要以氧化态存在）制备简单、均匀性及重现性好、颗粒易控制 比表面高（Ni可达100m2/g,Cu达30m2/g）,10.2.2 负载金属催化剂10.2.2.1 金属催化剂活性理论分析 d%特征百分数极重要！通常在40-50%（工业催化剂）重要的过渡金属d%值列于下表（表10-2）不同金属加氢活性的顺序如下 Rh

4、PdPtNiFeWCrTa 加氢活性与d%的关系见下图（图10-10),10.2.2.2 活性组分的负载 常用方法：理浸渍法、离子交换法、化学沉淀法等 根据具体反应类型的不同，可以选用活性非均匀分布,10.2.2.3 载体的作用及功能 载体组成能强烈影响金属的活性 金属与载体间的强相互作用成为SMSI（1）如载体不迁移（高于500热处理时）强相互作用发生在金属粒子与载体间金属组分在 载体表面上分散开，以环岛状负载（见10-12a）（2）如金属熔点高且载体迁移 强相互作用表现为金属被载体氧化物润湿金属粒 子被包封（见10-12b）,能够显示SMSI效应的载体氧化物在热处理是都可以被还原 不能显示

5、SMSI效应的载体氧化物在热处理是都不可被还原 所以 载体氧化物可以被部分还原是导致金属粒子被包封、表现出 SMSI效应的必要条件之一,10.3 计算机辅助催化剂设计 催化剂设计的思想来自于于英国人 计算机辅助催化剂设计的思想来自于日本的米田幸夫计算机辅助设计的目的（1）寻求、编排、分析已有的信息（2）帮助进行必要的计算以提高催化剂的开发速度 目前已有部分利用计算机辅助催化剂设计的成功实例 但更多情况是：只能在一定程度上帮忙,10.4 固体催化剂设计新思路10.4.1 借助酶催化原理于非生物质固体催化材料合成的思路 见图10-14及图10-15,10.4.2 利用组合技术设计开发催化剂 该工作

6、需要三方面的基本技术：（1）设计和使用并行合成法合成众多有希望的候选物库（2）建立快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价（3）候选物的优化及候选库的改进,（1）候选库的设计与合成法 薄膜沉积法、溶液合成法（2）快速灵敏的鉴定方法，能进行较快地评价 光谱技术：红外热普技术（IR-themography）激光诱导荧光成像技术（LIFI）共振强化多光子离子化技术（REMPI）光热偏转技术（PTD）质谱技术：四极子质谱计技术（QMS）与气体敏化法相结 合的技术,（3）候选库的优化与模拟 采用并行式微型反应器可对研究结果进行优化（速度快）数值模拟也是开发优化催化剂的有价值工具10.4.3 固体催化剂的构件组装 20世纪30年代以前，采用天然物作催化剂 20世纪40-80年代，采用合成技术得到，涉及到氧化物载 体、活性金属、含氧化物相及含硫化 物相组成 以后 采用构件组装方式（趋势）,组装尺度 毫米尺度 微米尺度 纳米尺度,