第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
合成氨
• N2+3H2→3NH3 • 催化剂：Fe-Al2O3-K2O • 每吨催化剂可产2万吨氨
• N2来源：空气分离 • H2来源: 烃类水蒸气转化法。 • 工艺（涉及反应）：加氢、脱硫、转化、
变换、甲烷化、氨合成。需用八种不同
催化剂
第一章 绪论
1.1.1催化作用的意义
氧化还原型反应：催化剂与反应物通过单个电 子转移，形成活性中间体物种进行的催化反应。
催化剂的分类
按催化剂的元素及化合态分类 金属、金属氧(硫)化物、金属有机化合物 按催化剂的导电性及化学形态 导体、半导体、绝缘体 按行业类别分类 石油炼制工业、化肥工业、环境保护等
催化剂的反应性能
物进料总量的百分比 产率＝转化率×选择性
催化剂的稳定性
使用寿命：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。
a
催
化b
稳定期
衰
剂
老
活成
期
性
熟 期
催化剂的稳定性
化学稳定性 耐热稳定性 抗毒稳定性 机械稳定性
对工业催化剂的要求
适宜的活性 高选择性
活性和选择性的取舍 长寿命
石油
第一章 绪论
煤
1.1.1催化作用的意义
第一章 绪论
天然气
1.1.1催化作用的意义
催化剂的定义与特征
催化剂的定义
能改变化学反应的速度 不改变化学反应的热力学平衡位置 本身在化学反应中不被明显地消耗
催化剂的特征 只能改变热力学上可进行的化学反应
只改变化学反应的速度，而不改变化学平衡的 位置。
石 油：提高原油利用率 天然气：合成液体燃料(合成油、甲醇、
二甲醚) 煤 ：间接液化制液体燃料 生物质：燃料
对催化作用的诠释 :
（1） 只加速热力学可行的反应（G0 0）。 （2） 不影响平衡常数（G0 = RT lnKa） 。 （3） k正与k逆有相同倍数变化（k正/k逆不变）。 （4） 改变反应途径，降低反应活化能。
的介质扩散。
催化反应过程的主要步骤
物理过程

外扩散

内扩散

化学过程

反应物的吸附

表面反应

产物的脱附
催化反应的控制步骤
反应控制步骤：催化反应过程中阻力最 大或反应速度最慢的步骤。
扩散控制 化学反应(动力学)控制
空速越高活性越好。
空速
空速(Space velocity)：单位时间内，单位质量 或体积催化剂所能处理的反应物量。
空速越大，表明催化剂的处理能力越强。 空速的倒数为接触时间
催化剂的选择性
选择性＝转化成目的产物的原料量/总转化 掉的原料量×100％
选择性＝目的产物的产率/原料的转化率×100％ 产率：指消耗于生成目的产物的反应物量与反应
活化能
催化剂的作用
➢ 85%以上的化工产品是借助催化剂生产 的
无机化工：合成氨、硝酸、硫酸 有机化工：甲醇、醋酸、丙酮 高分子化工：三大合成材料 (合成树脂、合成橡胶、合成纤维) 石油炼制与化工：汽油、柴油（裂化、重整）
➢ 环境保护
挥发性有机组分(VOCs)：催化燃烧 常温下，沸点50℃—260℃的各种有机化合物。最常见的
一种催化剂只对特定的化学反应起催化作用 如SiO2-Al2O3催化剂对酸碱反应具有催化作用，
但对合成氨反应却无效 利用不同的催化剂，可以使反应有选择性地朝
某一个需要的方向进行，生产所需的产品。
催化剂活性评价的几个重要参数
(1) 转化率或活性 转化率 = (反应物已转化的质量) / (反应物起始质量)
131
Pt
—
—
144
80
— I2 蒸汽
对催化作用的诠释 :
(5) 存在催化循环 (6) 催化剂用量少且不消耗。
（7）不影响化学计量方程式。
（8） 反应速度(mol/s)与催化剂用量成正比。
（9） 反应后催化剂有微小变化。
对催化作用的诠释 :
（10） 加速反应但不参与反应者不是催化剂。
（11） 引发剂不是催化剂。 （12） 催化剂是物体形式的物质。
催化剂活性评价的几个重要参数 (续) :
(5) 反应速率 反应速率 = 单位质量 (体积或比表面积) 的催化剂上在单
位时间内某反应物的摩尔改变量 (6) 寿命
从开始使用到活性下降至一定值所经历的时间。 (催化剂中毒，比表面积降低，催化剂变质，碳沉积， 流失，破碎等等)
催化剂构成与作用
活性组分或主催化剂 催化活性 包括：
有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、 三氯乙烷、二异氰酸酯（TDI）、二异氰甲苯酯等。 工 业 排 放 NOx：催化还原→N2 机 动 车 尾 气：
三效催化剂(CO、NOx、CHx) CO2、N2、H2O+CO2 化工过程的绿色化： 催化剂的应用
无毒催化剂代替有毒催化剂
➢ 能源开发、利用
用于高温反应和强放热反应。如乙烯氧化制环 氧乙烷银催化剂中的α-Al2O3。 高比表面积载体 因具有酸性或碱性，会影响催化剂的性能。如 SiO2、Al2O3、活性炭、分子筛等。
常用的载体
低比表面积载体
载体
刚玉 碳化硅 硅藻土 石棉 耐火砖
比表面积 （m2/g） 0～1
<1 2～30 1～16
催化反应的分类
按反应类型
加氢 脱氢 氧化 聚合 裂解等 优点：便于比较同类型反应的特点 Ni催化剂：烯烃/苯 加氢 V2O5（五氧化二钒）催化剂：
苯/邻二甲苯 氧化
催化反应的分类
按反应机理
酸碱型反应：催化剂与反应物通过电子对的接 受而配位，或发生强烈极化，形成离子型活性 中间体物种进行的催化反应。
A+C→AC AC+B→AB+C
催化剂的定义
在化学反应里能改变（加快或减慢）其他物质的化学反应 速率，而本身的质量和化学性质在反应前后（反应过程中 会改变）都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。
其物理性质可能会发生改变，例如MnO2在催化氯酸钾生 成氯化钾和氧气的反应前后由块状变为粉末状。
(3) K（电子助催剂）: 增加Fe表面电子密度
催化剂
Al2O3 (载体和催化剂）
SiO2-Al2O3 (催化裂化催化剂和基体) 沸石 （裂化催化剂） Pt/Al2O3 （催化重整） MoO3/Al2O3 (加氢处理) Ni/陶质载体 （水汽转换） Cu-ZnO-Al2O3 (低温变换)
助催剂
SiO2, ZrO2, P K2O HCl MgO Pt
100% (2) 选择性
反选应择物性转化= 的(转总化质为量目) 的 1产00物%所消耗的某反应物质量) / (某 (3) 得率或产率
得率 = (生成的目的产物质量) / (某反应物的起始质量) 100%
得率 = 转化率 选择性 100% (4) 空速和接触时间
空速 = (反应混合物流量) / (催化剂体积或质量) 接触时间 = 1 / 空速
颗
粒
晶态
物相
非晶态
组分分布
催化反应和催化剂的分类
催化反应的分类
按反应系统物相的均一性 均相：催化剂与反应物形成均一相 非均相(多相)：催化剂与反应物处于不同相 酶：酶本身是液体均匀分散在水溶液中（均
相），但反应却从反应物在其表面上的积聚开 始（多相），因此同时具有均相和多相的性质。
催化作用与 催化剂简介
催化基本概念
对催化作用的定义 :
（1） 催化是靠用量较少且本身不消耗的一种叫催化剂 的外加物质来增大化学反应速度的现象。 （2） 催化剂提供了把反应物和产物连接起来的一系列 基元步骤。 （3） 没有催化剂时，是不发生这些过程的。 （4） 催化剂的存在使反应按新的途径进行从而增大反 应速度。 （5） 催化剂参与反应，经过一个化学循环后再生出来。
选择载体原则 比表面积 适宜的比表面积和孔隙结构
过大比表面积载体：活性组分非常活泼，反应产物易进一步转化。 过小比表面积载体：活性组分易聚集而导致失活或活性低。
机械强度：耐反应气流冲击
热稳定性:热膨胀系数较低
无毒和不引起副反应
常用的载体
低比表面积载体 对催化剂的活性影响很小，但热稳定性高，常
金属 金属氧化物 复合氧化物 金属硫（碳、氮、卤）化物
大部分活性组分为：过渡金属及其化合物
催化剂构成与作用
助催化剂
改善催化活性或催化剂稳定性
帮助活性组分： (结构或电子方面)
帮助载体：(结构或电子方面)
例如：合成NH3催化剂： （1）Fe3O4：活性组分 （2）Al2O3 （结构助催剂）: 促进Fe (111) 晶面形成
活性：指催化剂对反应加速的程度 选择性：指所消耗的原料中转化成目
的产物的分率 稳定性：指催化剂在使用条件下具有
稳定活性的时间
催化剂活性的表示方法
转化率 CA=反应物A转化掉的量/流经催化剂床层反
应物A的总量×100% 可用完成一定转化率所需的反应温度的高低
来比较：反应温度越低，活性越高。 还可用完成一定转化率所需的空速来比较：
稀土离子 Pd Re
Ni, Co P, B K
ZnO
功能
改进热稳定性 毒化结焦部位 增加酸性 阻滞活性组分烧结 增加CO氧化
增加酸性和热稳定性 增加加氢 减少氢解和烧结
增加C－S和C－ N的氢解 增加MoO3分散度 加快炭的移除
减少Cu的烧结
催化剂构成与作用
载体 （: 分散活性组分，使其 保持大的表面积