华理-工业应用催化剂复习..doc

工业催化剂概说 1.1.1 催化概念 催化剂: 一类能够改变化学反应的速度，不改变热力学平衡，并不被明显消耗的物质。 正催化剂：能加快反应速度的Cat. 负催化剂：能减慢反应速度的Cat. 催化作用：是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被明显消耗的一种叫催化剂的外加物质来加速或减慢化学反应速度的现象。 1.3.1 催化剂和催化作用 IUPAC的定义：催化剂是一种物质，它能加速反应的速率，而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化。这种作用称为催化作用。 ? 催化剂能与反应物作用，但是在反应终了时能保持不变 ? 催化剂可以是气态物质（如氧化氮）、液态物质（如酸、碱、盐溶液）或固态物质（如金属、金属氧化物），还有些以胶体状态存在（如生物体内的酶）。工业中，主要是固体催化剂。 1.3.2 催化剂的基本特性 1、催化剂能够加快化学反应速率，但是本身并不进入化学反应的计量 共性 一定量的催化剂可以促进大量的反应物起反应，生成大量的产物。 催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。 （特殊性和专用性） ─ 反应类型选择性：不同催化剂对不同反应有效，如：SiO 2 -Al 2 O 3 催化剂对酸催化反应是有效的，但是对氨合成反应无效。 ─ 反应方向选择性：从同一反应物出发，热力学上有不同的反应方向，生成不同的产物。利用不同催化剂可以使反应有选择地朝某一个所需方向进行，生成所需产品。 对于某些串联反应，利用催化剂可以使反应停留在主要生成某一中间产物的阶段。 乙炔选择加氢，只停留在乙烯，而不进一步生成乙烷； 苯选择加氢到环己烯； 烃类部分氧化为醇、醛、或酮等，而不完全氧化为CO2 和H2O. 3 、催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。 ─ 如：常温、常压、无其它外加功时，水不能变成H 2 和O 2 ，所以不存在任何能加快这一反应的催化剂。 4 、催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。 ─ 最高平衡浓度受热力学变量的限制 5 、催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。 1.3.3 工业催化剂的要求 活性、选择性、寿命、形貌、环境友好 活性：是指催化剂影响反应进程变化的程度；或指催化剂对反应加速的程度，衡量催化剂效能大小的标准。对于固体催化剂，工业上常采用给定温度下完成原料转化率来表达，活性越高，原料转化率的百分数越大。 选择性：消耗的原料中转化成目的产物的分率。 稳定性：催化剂的活性和选择性随时间变化的情况，也叫寿命，所以寿命指催化剂在一定反应条件下维持一定反应活性和选择性的使用时间。 活性和选择性难以两全： ? 对工业催化剂来说，注重选择性的要求有时超过对活性的要求 ? 选择性不仅影响原料的单耗，还影响到反应的后处理 ? 如果反应原料昂贵或产物和副产物分离困难时，宜采用高选择性的催化体系 活性的几种表示方法：（1）转化率（2）时空产率（3）反应速率（4）比活性（5）转换频率。 转化率表示法——工业上最为常用的活性表示方法 ? 对于A→B反应，给定温度下所达到的转化率可用下式表示： x=（反应后已转化的A摩尔数NA /进料中A的摩尔数N 0 A ）×100% 注意：在用转化率比较活性时，要求反应温度、压力、原料气浓度和停留时间都必须相同。 规定转化率所需的温度和空速表示法： ? （1）用完成给定的转化率（如x A =80%）所需要的温度来表示，温度越低活性越高。 压力、原料气浓度和停留时间等条件都必须相同。 ? （2）用完成给定的转化率（如x A =80%）所需要的空速表示，空速越高活性越好。 反应温度、压力、原料气浓度都必须相同 单程转化率: ? 有些反应因受热力学平衡限制，平衡转化率不高，为了充分利用原料，需将反应产物分离，然后补充新鲜原料再循环使用. ? 对一次通过催化剂的转化率称为单程转化率。 时空产率表示法——工业上最为常用的活性表示方法 指在一定条件（温度、压力、进料组成、空速）下，单位时间内，使用单位体积V或单位质量的催化剂所能得到目的产物的量（摩尔数NB、 或质量）来表示，如下式：Y=NB/(VT) 时空产率表示活性的方法虽然很直观，但不确切。 与反应条件密切相关，如果进料组成和进料速度不同，所得的时空产率也不同。但是在生产中要严格控制相同的反应条件是相当困难的，只能做到反应条件相近。 转换频率表示法: ? 定义：单位时间内每个活性中心转化的分子数。 ? 这个表示方法很科学，但测定起来却不容易。 – 活性中心（部位)---固体催化剂，其表面化学性质和物理性质不同。 – 活性中心的测定： ? 金属催化剂-