工業(yè)催化

前言

　　人類有目的地使用催化劑已經(jīng)有兩千余年的歷史，例如粬酶催化劑釀酒制醋。20世紀(jì)下半葉，催化技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品種類的增多，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，無(wú)不借助于催化劑和催化技術(shù)。目前，催化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、食品加工、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等行業(yè)，為人類的生產(chǎn)、生活提供各種產(chǎn)品，在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起到舉足輕重的作用?！　∽鳛橐婚T科學(xué)，催化科學(xué)綜合了化學(xué)、化學(xué)工程、物理、數(shù)學(xué)等各個(gè)學(xué)科知識(shí)，已發(fā)展成為化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科中最具生命力和創(chuàng)造力的一部分，成為學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。　　石油天然氣化學(xué)工業(yè)是化學(xué)工業(yè)最重要的一個(gè)分支，其生產(chǎn)過(guò)程絕大多數(shù)都要使用催化劑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石油天然氣化工生產(chǎn)過(guò)程中80%以上的化學(xué)反應(yīng)、60%以上的化工產(chǎn)品和90%以上的新工藝開(kāi)發(fā)，都離不開(kāi)催化劑，使用的催化劑種類已經(jīng)超過(guò)2000余種。因此，石油天然氣化工過(guò)程中的催化知識(shí)，是石油類高?；瘜W(xué)工程與工藝專業(yè)課程體系的重要組成部分?！　”菊n程的主要任務(wù)是介紹催化作用與催化劑的基本知識(shí)（主要討論工業(yè)上使用最多的多相催化）以及各類常用的石油天然氣化工催化劑及其新進(jìn)展，使學(xué)生理解催化作用的化學(xué)本質(zhì)，熟悉工業(yè)催化劑的制備與操作使用技術(shù)，了解典型的石油天然氣化工催化劑，以便今后從事與催化有關(guān)的生產(chǎn)、管理、研究與開(kāi)發(fā)工作?！　∪珪卜炙钠拢旱谝黄呋饔没A(chǔ)（第1章催化劑概述、第2章多相催化作用基礎(chǔ)）；第二篇工業(yè)催化劑作用原理（第3章金屬催化劑、第4章金屬氧化物催化劑、第5章固體酸堿催化劑）；第三篇工業(yè)催化劑的制備、使用、分析測(cè)試與表征（第6章工業(yè)催化劑的制備技術(shù)、第7章工業(yè)催化劑的使用、第8章催化劑性能的評(píng)價(jià)、測(cè)試和表征）；第四篇工業(yè)催化劑各論（第9章石油煉制催化劑、第10章石油化工（基本有機(jī)原料）催化劑、第11章化肥工業(yè)催化劑、第12章碳一化學(xué)催化劑、第13章環(huán)境保護(hù)和環(huán)境友好催化技術(shù)）?！　♂槍?duì)化工專業(yè)本科生工業(yè)催化課程內(nèi)容多和學(xué)時(shí)少的要求，筆者在成書過(guò)程中力求做到理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，深入淺出地介紹基本理論知識(shí)，并輔以大量工業(yè)實(shí)例，幫助學(xué)生加深理解；為提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，特別介紹了一些最新的催化學(xué)科進(jìn)展。本書可作為高等院?；瘜W(xué)工程與工藝及相近專業(yè)本科生、研究生教材，也可供從事工業(yè)催化技術(shù)工作的工程技術(shù)人員閱讀參考?！　”緯商茣詵|、王豪、汪芳編著。唐曉東統(tǒng)稿并編寫第1、2、3、4、9章和11.1節(jié)，王豪編寫第5～8章，汪芳編寫其余章節(jié)。本書的出版還得到了西南石油大學(xué)教材建設(shè)委員會(huì)、教務(wù)處和化學(xué)化工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此一并表示感謝?！　∮捎诰幷咚接邢蓿瑫惺杪┰谒y免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　《工業(yè)催化》從石油天然氣化工實(shí)用角度出發(fā)，以多相催化及各類固體催化劑為主要討論對(duì)象，較系統(tǒng)地介紹了催化作用基本原理，各類固體催化劑，工業(yè)催化劑的制備、分析、測(cè)試與操作使用方法；介紹了石油煉制催化劑、石油化工催化劑、化肥催化劑、碳一化工催化劑、環(huán)境保護(hù)催化劑的基本情況和最新研究進(jìn)展。　　《工業(yè)催化》可作為高等院?；瘜W(xué)工程與工藝及相近專業(yè)本科生、研究生教材，亦可供從事有關(guān)科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的工程技術(shù)人員閱讀參考。

書籍目錄

第一篇 催化作用基礎(chǔ)第1章 催化劑概述11.1 催化劑和催化作用11.2 催化科學(xué)的誕生與發(fā)展11.3 催化劑和催化作用的基本特征41.4 催化體系的分類71.5 催化劑的組成和性能要求101.5.1 催化劑的組成101.5.2 工業(yè)催化劑的基本性能要求13第2章 多相催化作用基礎(chǔ)162.1 催化劑的吸附作用162.1.1 吸附概述162.1.2 化學(xué)吸附態(tài)192.2 多相催化中的擴(kuò)散232.2.1 擴(kuò)散的類型232.2.2 擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響242.2.3 擴(kuò)散影響的識(shí)別和消除262.3 催化反應(yīng)系統(tǒng)的分析27第二篇 工業(yè)催化劑作用原理第3章 金屬催化劑313.1 金屬催化劑的吸附作用313.1.1 金屬對(duì)氣體的化學(xué)吸附能力323.1.2 化學(xué)吸附強(qiáng)度與催化活性323.2 金屬的電子結(jié)構(gòu)理論333.2.1 能帶理論333.2.2 價(jià)鍵理論343.3 金屬表面幾何因素與催化活性353.3.1 原子間距353.3.2 晶面花樣363.4 晶格的缺陷與位錯(cuò)373.4.1 晶格缺陷和位錯(cuò)的主要類型373.4.2 晶格不規(guī)整性與多相催化373.4.3 金屬表面在原子水平上的不均勻性383.5 金屬?載體間的相互作用383.6 合金催化劑39第4章 金屬氧化物催化劑404.1 非計(jì)量化合物404.1.1 非計(jì)量化合物的成因404.1.2 非計(jì)量化合物的類型414.2 半導(dǎo)體的能帶理論424.2.1 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)424.2.2 施主和受主434.2.3 費(fèi)米能級(jí)和脫出功434.3 氣體在半導(dǎo)體上的化學(xué)吸附444.4 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與催化活性454.4.1 N2O的分解454.4.2 CO的分解464.5 半導(dǎo)體Ef和?對(duì)催化反應(yīng)選擇性的影響464.6 d電子構(gòu)型、金屬?氧鍵、晶格氧與催化活性474.6.1 d電子構(gòu)型474.6.2 金屬?氧鍵474.6.3 晶格氧（O2）47第5章 固體酸堿催化劑495.1 酸堿的定義和性質(zhì)測(cè)定495.1.1 酸堿的定義495.1.2 固體酸堿性質(zhì)的測(cè)定505.2 固體酸堿性的來(lái)源535.2.1 負(fù)載酸545.2.2 氧化物及復(fù)合氧化物545.2.3 金屬鹽555.3 固體酸堿性與催化作用565.3.1 酸中心類型與催化作用的關(guān)系565.3.2 酸強(qiáng)度與催化作用的關(guān)系575.3.3 酸濃度與催化活性的關(guān)系575.4 分子篩催化劑585.4.1 分子篩的結(jié)構(gòu)585.4.2 分子篩的特性和催化性能625.4.3 分子篩的酸性來(lái)源65第三篇 工業(yè)催化劑的制備、使用、分析測(cè)試與表征第6章 工業(yè)催化劑的制備技術(shù)676.1 沉淀法676.1.1 沉淀原理686.1.2 沉淀法的工藝過(guò)程696.1.3 沉淀法的分類696.1.4 金屬鹽前驅(qū)體和沉淀劑的選擇716.1.5 影響沉淀形成的因素726.2 浸漬法746.2.1 載體的選擇756.2.2 浸漬液的配制756.2.3 活性組分在載體上的分布與控制766.2.4 常用浸漬工藝786.2.5 浸漬顆粒的熱處理過(guò)程796.3 混合法816.4 離子交換法816.5 熔融法826.6 其他制備技術(shù)826.6.1 微乳液技術(shù)826.6.2 溶膠?凝膠法836.6.3 等離子體技術(shù)846.6.4 微波技術(shù)846.6.5 超聲波技術(shù)846.6.6 超臨界技術(shù)856.6.7 膜技術(shù)856.7 催化劑的成型876.7.1 成型工藝概述876.7.2 成型對(duì)催化劑性能的影響886.7.3 成型助劑896.7.4 幾種重要的成型方法90第7章 工業(yè)催化劑的使用937.1 催化劑的裝填937.1.1 催化劑篩分與裝填937.1.2 開(kāi)、停車及鈍化947.2 催化劑的活化947.2.1 還原活化947.2.2 硫化活化967.2.3 氧化活化977.3 催化劑的失活977.3.1 中毒977.3.2 積炭997.3.3 燒結(jié)997.3.4 活性組分流失997.4 催化劑再生與回收利用1007.4.1 催化劑再生1007.4.2 催化劑回收利用101第8章 催化劑性能的評(píng)價(jià)、測(cè)試和表征1028.1 催化劑的性能評(píng)價(jià)1028.1.1 實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器1028.1.2 性能評(píng)價(jià)方法1058.2 催化劑的宏觀物性測(cè)定1078.2.1 顆粒直徑及粒徑分布1088.2.2 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定1088.2.3 催化劑的抗毒穩(wěn)定性及其測(cè)定1108.2.4 比表面積測(cè)定與孔結(jié)構(gòu)表征1108.3 催化劑微觀性質(zhì)的測(cè)定和表征1188.3.1 電子顯微鏡在催化劑研究中的應(yīng)用1188.3.2 X?射線結(jié)構(gòu)分析在催化劑研究中的應(yīng)用1208.3.3 熱分析技術(shù)在催化劑研究中的應(yīng)用122第四篇 工業(yè)催化劑各論第9章 石油煉制催化劑1269.1 催化裂化催化劑1269.1.1 催化裂化反應(yīng)機(jī)理和烴類的主要反應(yīng)1269.1.2 催化裂化催化劑及其發(fā)展1279.1.3 催化裂化催化劑的制備1289.1.4 催化裂化催化劑的失活與再生1309.1.5 催化裂化催化劑的進(jìn)展與展望1319.2 催化重整催化劑1329.2.1 催化重整反應(yīng)機(jī)理和主要反應(yīng)1329.2.2 催化重整催化劑的組成和種類1339.2.3 催化重整催化劑的制備1349.2.4 催化重整催化劑的失活與再生1359.2.5 催化重整催化劑的新進(jìn)展1369.3 加氫處理催化劑1369.3.1 催化加氫反應(yīng)機(jī)理和主要反應(yīng)1369.3.2 加氫處理催化劑1379.3.3 加氫處理催化劑的制備1399.3.4 加氫處理催化劑的失活與再生1399.3.5 加氫處理催化劑的進(jìn)展與展望1409.4 加氫裂化催化劑1409.4.1 加氫裂化反應(yīng)機(jī)理1419.4.2 加氫裂化催化劑1429.4.3 加氫裂化催化劑的制備1429.4.4 加氫裂化催化劑的進(jìn)展與展望1439.5 其他煉油催化劑1439.5.1 醚化催化劑1439.5.2 異構(gòu)化催化劑1449.5.3 烷基化催化劑1459.5.4 烯烴疊合催化劑1469.5.5 柴油氧化脫硫催化劑146第10章 石油化工（基本有機(jī)原料）催化劑14810.1 概述14810.1.1 石油化工（基本有機(jī)原料）生產(chǎn)技術(shù)概述14810.1.2 石油化工生產(chǎn)中的主要催化劑簡(jiǎn)介14810.2 乙烯及其初級(jí)衍生物生產(chǎn)用催化劑14910.2.1 碳二餾分選擇性加氫除炔14910.2.2 乙烯部分氧化制環(huán)氧乙烷15110.2.3 乙烯和苯合成乙苯15510.3 甲醇及其初級(jí)衍生物生成用催化劑15710.3.1 一氧化碳和氫氣合成甲醇15710.3.2 甲醇羰基合成或乙醛氧化制醋酸159第11章 化肥工業(yè)催化劑16311.1 脫硫催化劑16311.1.1 烴類加氫脫硫催化劑16311.1.2 硫磺回收催化劑16511.1.3 脫硫劑17211.1.4 硫氧化碳水解催化劑17511.2 烴類轉(zhuǎn)化催化劑17511.3 一氧化碳變換催化劑17611.3.1 鐵鉻系高溫變換催化劑17711.3.2 銅鋅系低溫變換催化劑17911.3.3 一氧化碳寬溫(耐硫)變換催化劑18011.4 甲烷化催化劑18111.5 氨合成催化劑18311.5.1 氨合成催化劑研究進(jìn)展18311.5.2 氨合成鐵催化劑的制備18511.5.3 預(yù)還原催化劑18511.6 制硝酸和制硫酸催化劑18611.6.1 氨氧化制硝酸催化劑18611.6.2 二氧化硫氧化制硫酸催化劑187第12章 碳一化學(xué)催化劑18812.1 甲醇及低碳醇合成催化劑18812.1.1 甲醇合成催化劑18812.1.2 低碳混合醇合成催化劑19412.2 甲醇氧化制甲醛催化劑19512.2.1 反應(yīng)機(jī)理19512.2.2 銀催化劑19612.2.3 鐵?鉬氧化物催化劑19712.2.4 其他催化劑19812.3 羰基合成催化劑19812.3.1 氫甲?；磻?yīng)催化劑19912.3.2 炔烴羰基化催化劑20012.3.3 烯烴的羰基化催化劑20012.3.4 甲醇羰基化制醋酸催化劑20012.3.5 醋酸甲酯羰基化制醋酐催化劑20212.3.6 氧化羰基化合成碳酸酯催化劑20212.3.7 硝基化合物的還原羰基化催化劑20212.4 費(fèi)?托合成催化劑20212.4.1 費(fèi)?托合成催化劑類型20312.4.2 費(fèi)?托合成催化劑的制備20512.5 碳一化學(xué)中的催化新工藝20612.5.1 天然氣的直接轉(zhuǎn)化20712.5.2 天然氣間接轉(zhuǎn)化利用20812.5.3 膜技術(shù)在碳一化學(xué)中的應(yīng)用21112.5.4 二氧化碳的利用212第13章 環(huán)境保護(hù)和環(huán)境友好催化技術(shù)21413.1 環(huán)境經(jīng)濟(jì)的提出和環(huán)境友好概念的產(chǎn)生21413.2 空氣污染治理的催化技術(shù)21413.2.1 動(dòng)態(tài)源的凈化處理和三效催化劑21513.2.2 靜態(tài)源的凈化處理催化技術(shù)21813.3 工業(yè)廢液的催化凈化技術(shù)（CWAO）22013.3.1 工業(yè)廢液的來(lái)源及主要污染物22013.3.2 工業(yè)廢液的處理方法22113.3.3 WAO和CWAO22113.4 大氣層保護(hù)與催化技術(shù)22313.4.1 保護(hù)臭氧層的催化技術(shù)22313.4.2 控制溫室效應(yīng)氣體排放的催化技術(shù)22413.5 環(huán)境友好的催化技術(shù)22413.5.1 零排放與綠色化學(xué)22413.5.2 E因子原子經(jīng)濟(jì)與綠色化工生產(chǎn)22713.5.3 環(huán)境友好催化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)22713.6 光催化在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用和光催化環(huán)保功能材料23113.6.1 光催化原理23113.6.2 光催化在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用23213.6.3 光催化環(huán)保功能材料232參考文獻(xiàn)233

章節(jié)摘錄

　　在研究一個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系時(shí)，有兩個(gè)必須考慮的問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是這個(gè)反應(yīng)能否進(jìn)行，若能進(jìn)行，它能進(jìn)行到什么程度？即反應(yīng)會(huì)停止在什么平衡位置，其平衡組成如何？化學(xué)熱力學(xué)能解決這個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題是熱力學(xué)上可行的反應(yīng)進(jìn)行得快慢如何？即需要多久能達(dá)到平衡位置。這個(gè)問(wèn)題需要化學(xué)動(dòng)力學(xué)來(lái)解決。從經(jīng)濟(jì)上考慮，一個(gè)化學(xué)過(guò)程要付諸工業(yè)實(shí)踐，必須既有足夠好的平衡產(chǎn)率，又有足夠快的反應(yīng)速率。　　一個(gè)熱力學(xué)上可以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，由于加入某種物質(zhì)而被加速，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)該物質(zhì)并不消耗，則此種物質(zhì)被稱作催化劑，它對(duì)反應(yīng)施加的作用稱為催化作用。因此，催化劑是解決化學(xué)反應(yīng)速率問(wèn)題的，催化作用屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的范疇。具體來(lái)說(shuō)，催化作用是催化劑活性中心對(duì)反應(yīng)分子的激發(fā)與活化，使后者以很高的反應(yīng)性能進(jìn)行反應(yīng)。　　催化科學(xué)是研究催化作用的原理，而催化技術(shù)則是催化作用原理的具體應(yīng)用。催化科學(xué)研究催化劑為何能使參加反應(yīng)的分子活化，怎樣活化以及活化后的分子的性能與行為，其重要性可以由催化技術(shù)的廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)明?！　〈呋夹g(shù)是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的支柱，90％以上的化工過(guò)程、60 9，6以上的化工產(chǎn)品與催化技術(shù)有關(guān)，可以說(shuō)，催化劑是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的心臟。催化科學(xué)通過(guò)開(kāi)發(fā)新的催化過(guò)程革新化學(xué)工業(yè)，提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)通過(guò)學(xué)科滲透為發(fā)展新型材料（敏感材料、光電轉(zhuǎn)換材料、儲(chǔ)氫材料），利用新能源（太陽(yáng)能、生物能）等做出貢獻(xiàn)。不僅如此，催化科學(xué)還由于它的跨學(xué)科性，對(duì)生命科學(xué)具有更重要的潛在意義。借助催化科學(xué)獲得的對(duì)于活性中心的認(rèn)識(shí)可以推廣到分子科學(xué)的其他領(lǐng)域，借助催化作用的分子機(jī)理內(nèi)涵并同分子科學(xué)的某些領(lǐng)域分子作用機(jī)理的對(duì)比，也可為開(kāi)拓催化科學(xué)自身新的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造條件。

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