催化剂工程催化设计.pptx

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1、催化剂工程 催化剂设计催化剂设计 化学工程化学工程 31107094 刘启业刘启业催化剂工程 催化剂催化剂设计的理论概观设计的理论概观催化剂设计的一般程序催化剂设计的一般程序催化剂原材料的选择催化剂原材料的选择 电子计算机辅助催化剂设计电子计算机辅助催化剂设计催化剂设计的理论概观催化剂设计的理论概观催化剂设计催化剂设计 为某一特定的化学反应创制最佳催化为某一特定的化学反应创制最佳催化剂的战略性策划。剂的战略性策划。理论发展理论发展 经验筛选法经验筛选法催化理论催化理论催化模型催化模型催化剂设计催化剂设计催化剂设计的理论概观催化剂设计的理论概观经典理论经典理论1925年，年，Taylor活性中心

2、理论；活性中心理论；固定的活性中心，不是表面上的每一部位，固定的活性中心，不是表面上的每一部位，表面缺陷、边、棱、角。原因：表面力场表面缺陷、边、棱、角。原因：表面力场不饱和，表面能高，具有较强的吸附能力。不饱和，表面能高，具有较强的吸附能力。50年代，固体能带理论；年代，固体能带理论；众多金属原子结合在一起组成金属块；单众多金属原子结合在一起组成金属块；单个原子上的电子轨道合并为整个金属体的个原子上的电子轨道合并为整个金属体的轨道能级；轨道能级；催化剂设计的理论概观催化剂设计的理论概观 有有S，P，D能级；能级；S和和D能级有重叠，发生原轨能级有重叠，发生原轨道中的电子流动，主要是道中的电子

3、流动，主要是D轨道中的电子流向轨道中的电子流向S轨道，形成轨道，形成“空穴空穴”；空穴即为电子不饱和体，；空穴即为电子不饱和体，有吸附能力，或活法能力有吸附能力，或活法能力不定的活性中不定的活性中心。心。80年代，在均相催化、酶催化发展快的基础上，年代，在均相催化、酶催化发展快的基础上，新的活性中心理论：催化剂表面活性中心是表新的活性中心理论：催化剂表面活性中心是表面配位不饱和的离子（氧化物）或原子（金属）面配位不饱和的离子（氧化物）或原子（金属），反应物是与该表面不饱和物体进行结合（部，反应物是与该表面不饱和物体进行结合（部分结合）的配体。分结合）的配体。催化剂设计的理论概观催化剂设计的理论

4、概观过去，合成氨催化剂的配方，实验优化超过去，合成氨催化剂的配方，实验优化超过过20,000次次现在，催化剂开发设计，由盲目定性试探，现在，催化剂开发设计，由盲目定性试探，向精确的定量转换；技艺型向科学型转化。向精确的定量转换；技艺型向科学型转化。催化剂设计的一般程序催化剂设计的一般程序Dowden催化剂设计催化剂设计框图框图Trimm催化剂设计催化剂设计程序程序米田米田路线路线催化剂原材料的选择催化剂原材料的选择主催化剂的选择助催化剂的选择载体的选择主催化剂的选择三类，金属，金属氧化物或硫化物以及固三类，金属，金属氧化物或硫化物以及固体酸体酸催化反应或某些类型的催化反应，不同催催化反应或某些

5、类型的催化反应，不同催化剂所显示的活性，呈有规律的变化。化剂所显示的活性，呈有规律的变化。从已知的某些催化剂金属适于哪些种类的从已知的某些催化剂金属适于哪些种类的反应出发，也是一种经验反应出发，也是一种经验金属金属的的实验实验活性活性主催化剂的选择过渡金属氧化物过渡金属氧化物和硫化物的催化活性和硫化物的催化活性金属的金属的加氢反应加氢反应和氢解反应催化活性顺序和氢解反应催化活性顺序金属的金属的相对催化活性相对催化活性助催化剂的选择助催化剂的选择助催化剂的选择助催化剂助催化剂 具有提高催化剂活性、选择性、具有提高催化剂活性、选择性、改善催化剂耐热性、抗毒性、机械强度、改善催化剂耐热性、抗毒性、机

6、械强度、寿命等性能的组分，它本身无活性，但可寿命等性能的组分，它本身无活性，但可改变催化性能。改变催化性能。助催化剂的选择助催化剂的选择调变性助催化剂调变性助催化剂在一定范围内改变助催化剂的本征活性和选择在一定范围内改变助催化剂的本征活性和选择性。性。选择原则选择原则强化主催化剂的优点，克服其缺点。强化主催化剂的优点，克服其缺点。结构性助催化剂结构性助催化剂保持主催化剂高分散度。保持主催化剂高分散度。合成氨合成氨Fe催化剂，加入催化剂，加入Al2O3。水蒸气转化水蒸气转化Ni催化剂，加入催化剂，加入Al2O3、MgO，形，形成接近成接近固溶体固溶体的高分散状态，提高活性稳定性。的高分散状态，提

7、高活性稳定性。助催化剂的选择选择原则选择原则（1）要有较高的熔点，在使用条件下是稳）要有较高的熔点，在使用条件下是稳定的，最好不易被还原成金属。定的，最好不易被还原成金属。（2）对于催化反应是惰性的，否则就可能）对于催化反应是惰性的，否则就可能改变催化剂的活性或选择性。改变催化剂的活性或选择性。（3）结构性助催化剂应不与活性组分发生）结构性助催化剂应不与活性组分发生化学变化。化学变化。载体的选择载体载体 是活性组分的分散剂、粘合剂或支是活性组分的分散剂、粘合剂或支撑物。一般为没有活性的惰性物质，在催撑物。一般为没有活性的惰性物质，在催化剂中含量较高。化剂中含量较高。常用的载体有：高比表面的有活

8、性炭、硅常用的载体有：高比表面的有活性炭、硅胶、氧化铝；中等比表面的有硅藻土、石胶、氧化铝；中等比表面的有硅藻土、石棉；低表面的有：刚玉、浮石等。棉；低表面的有：刚玉、浮石等。载体的选择重要重要的催化剂载体的催化剂载体常用常用的催化剂载体的催化剂载体载体的选择载体的作用载体的作用提供有效的表面和适宜的孔结构。增强催化剂的机械强度，使催化剂具有一定的形状。改善催化剂的传导性。减少活性组份的含量。提供附加的活性中心。载体的选择载体的选择载体的选择选择原则：选择原则：工艺角度：活性、选择性、可再生性、成本。工艺角度：活性、选择性、可再生性、成本。化学因素：比活性、活性组分间的相互作用、化学因素：比活

9、性、活性组分间的相互作用、催化剂失活（稳定性、抗毒、抗烧结）、与反催化剂失活（稳定性、抗毒、抗烧结）、与反应物有无相互作用等。应物有无相互作用等。物理因素：比表面、孔率、颗粒尺寸与形状、物理因素：比表面、孔率、颗粒尺寸与形状、机械稳定性、热稳定性、堆密度、活性相稀释、机械稳定性、热稳定性、堆密度、活性相稀释、可分离性等。可分离性等。电子计算机辅助催化剂设计电子计算机辅助催化剂设计催化剂整个设计过程极其复杂，影响催化催化剂整个设计过程极其复杂，影响催化剂性能的因素多，而且这些因素之间并非剂性能的因素多，而且这些因素之间并非相互独立相互独立.由于催化理论的不健全和催化过由于催化理论的不健全和催化过

10、程的复杂性，所以目前催化剂设计主要仍程的复杂性，所以目前催化剂设计主要仍以经验、以试探性的方法为主以经验、以试探性的方法为主.一种新的或一种新的或改进的催化剂的研制成功还需要进行大量改进的催化剂的研制成功还需要进行大量的试验工作的试验工作.电子计算机辅助催化剂设计电子计算机辅助催化剂设计一方面，催化这门学科已有某些零散的理一方面，催化这门学科已有某些零散的理论和前人的大量经验论和前人的大量经验;另一方面，随着计算另一方面，随着计算机运算速度的增大和解决非数值问题能力机运算速度的增大和解决非数值问题能力的增强，使运用计算机辅助催化剂设计成的增强，使运用计算机辅助催化剂设计成为可能为可能.电子计算

11、机辅助催化剂设计电子计算机辅助催化剂设计计算机辅助催化剂设计方法可分为三类，计算机辅助催化剂设计方法可分为三类，即即:(l)数学模型法数学模型法;(2)专家系统法专家系统法;(3)混合法一数学模型模拟和专家系统的综混合法一数学模型模拟和专家系统的综合方法合方法.数学模型法专家系统法专家系统法混合法混合法电子计算机辅助催化剂设计电子计算机辅助催化剂设计虽然计算机辅助催化剂设计已有应用到实虽然计算机辅助催化剂设计已有应用到实际催化剂设计中的实例，但由于催化剂设际催化剂设计中的实例，但由于催化剂设计本身的极其复杂性，只能将计算机设计计本身的极其复杂性，只能将计算机设计作为一种辅助手段，设计出的催化剂是否作为一种辅助手段，设计出的催化剂是否真正有效一定要通过实验证实真正有效一定要通过实验证实.一个计算机一个计算机辅助催化剂设计过程应该是不断地用计算辅助催化剂设计过程应该是不断地用计算机进行设计，不断地进行实验证实的过程机进行设计，不断地进行实验证实的过程.Thank you