工业催化剂开发与设计原理第三章工业催化剂的设计概要.ppt

一. 工业催化剂设计概述 1.?????? 发展历史: l??????? 1968年 D.A.Dawden 首次提出催化剂设计的构想 l??????? 1968年 米田幸夫（Yukio Yuneda） 提出《数值的触媒学》 l??????? 1980年 D.L.Trimm , Design of Industrial Catalysts, Elsevier Scientific Publishing Company 专著出版 l??????? 1984年 金性勇等译，《工业催化剂的设计》， 化学工业出版社 l??????? 1987年 Hegedus 论述了催化剂设计的进展与前景 l??????? 1991年 黄仲涛等， 《工业催化剂的设计与开发》， 1994年 B.Robert 编著《催化剂的计算机辅助设计》 论文集 2.?催化剂的分类 l??????? 按聚集状态： 催化剂——固体、液体、气体 反应物——气体、液体、气体+液体、固体+气体 l??????? 按化学键类型： 金属键——自由基反应 等极键——氧化还原反应 离子键——氧化还原反应、酸碱反应 配位键——酸碱反应、金属键反应 金属键——金属键反应 催化剂有多功能性，反应中同时可以形成多种化学键。 2.?催化剂的分类 l???按元素周期律： 主族元素 ——单质——供电子反应、受电子反应、 电子受供反应 ——化合物——酸碱反应 ——含氧酸——酸碱反应 过渡元素 ——单质——氧化还原反应 ——离子——氧化还原反应、酸碱反应 2.?????? 催化剂的分类 l?按催化剂组成和使用功能： 过渡金属——加氢、脱氢、加氢裂解、(氧化） 过渡金属氧化物——氧化、脱氢、脱硫、(加氧） 过渡金属硫化物——加氢处理 过渡金属络合物——氢甲酰化、 固体酸、固体碱——水合、脱水、异构化 l?按工艺和工程特点：——多相固体催化剂、均相络合物催化剂、酶催化剂 3.工业催化剂设计与相关科学技术的关联 工 业 催 化 l???化学工程学：传质、传热、反应器设计、过程经济评价、工程放大技术 表面科学：吸附、脱附、表面分析、晶面结构模型 l??? 固体化学、无机材料学：载体、助催化剂 l???金属有机化学、配位化学：均相络合催化剂、金属离子配位原理、催化循环、簇状物化学 l??? 物理化学：热力学、动力学、表面现象物化分析 l??分析测试技术：催化剂物化性能表征技术、原料和产品分析技术 二. 催化剂设计的科学方法 对指定的反应，或者需要制造的某种产品，应如何选用一种催化剂的实际知识的逻辑分析。这种设计的催化剂应将应该是较佳的性能和能取得最大的经济效益。 催化剂设计本身不需要引用新的催化概念和新的催化理论，所需要的只是对已有的概念和有效实验数据进行新的思考，需要收集和研究已有的文献，需要对催化剂各组分的功能和作用的模型认识。 二. 催化剂设计的科学方法 1.?总体性的考虑 热力学分析—— 反应的可行性、最大平衡 产率、最佳反应条件 反应条件参数 —— 温度、压力、原料配比等 副反应 —— 包括目的产物的分解等 生产中的实际问题 —— 设备材质、爆炸范围 腐蚀问题等 经济性考虑 —— 催化剂的经济性、催化反应 的经济性 2.可入选的催化剂材料 根据反应类型评选： 根据积累的催化反应知识选用合适的催化剂材料。 加氢 —— 贵金属（Pt, Pd…）、低价金属氧化物(Cr2O3…) 氧化 —— 贵金属 (Pt, Ag…)、高价金属氧化物、复合金属氧化物。选择性氧化反应 —— 同时满足活性需要、选择性需要 异构化、水合 —— 固体酸（氢型分子筛、Al2O3、H3PO4/硅藻土…） 经过活化处理后，制备的催化剂材料可能组成、结构、化学状态发生很大变化。如部分还原、部分氧化、硫化等。 2.可入选的催化剂材料 根据反应分子活化方式进行评选： 根据H2, O2, N2 等小分子的活化规律选择；根据饱和烃分子、不饱和烃分子、芳烃分子的活化规律选择。? H2分子：均匀解离活化、非均匀解离活化。 金属催化剂上：-50 - -100℃, 氢均匀解离，使不饱和烃加氢。 金属氧化物催化剂上：如C