27061 催化作用基礎

一、課程的基本要求和說明

催化劑正日益廣泛深入地滲透于石油煉制工業、化學工業、高分子材料工業、生物化學工業、食品工業、醫藥工業以及環境保護產業的絕大部分工藝過程中，起著舉足輕重的作用。工業的化學反應通常在反應器中進行，而這些反應器中，絕大部分都必須裝有工業催化劑。事實上，催化技術現已成為調控化學反應速度與方向的核心技術。

催化劑工程是以工業催化劑的制造生產、評價測試、設計開發、操作使用等工程問題為其研究對象的一門科學。它有理由成為21世紀化工行業專門人才所必備的基本知識之一。

本課程以與催化劑有關的工程問題為主線，涵蓋了工業催化劑的精粹部分。

內容分五大部分：

1、催化作用的基本原理；2、工業催化劑的制造；3、催化劑性能的評價、測試和表征；4、工業催化劑的開發；5、工業催化劑的制備設計和操作設計。

本課程選用由王尚弟、孫俊全主編的面向21世紀課程教材《催化劑工程導論》一書作為教材。學生以自學為主，既要開闊知識面，也要能舉一反三，學以致用。學生通過學習，不但要學會如何生產、制造催化劑，更主要是為了更好地使用好各種催化劑。二、考核要點

第一章 工業催化劑概述

1、催化劑在國計民生中的作用

2、催化若干術語和基本概念

（1）催化劑和催化作用的定義 （2）催化劑的基本特征 （3）催化劑的分類 ① 根據聚集狀態分類。 ② 根據化學鍵分類。 ③ 按元素周期律分類。 ④ 根據催化劑組成及其使用功能分類。 ⑤ 按工藝與工程特點分類。 （4）催化劑的化學組成和物理結構 ① 多相固體催化劑：主催化劑，共催化劑，助催化劑（結構助催化劑，電子助催化劑，晶格缺陷助催化劑），載體及其它。 ② 均相配合物催化劑。 （5）多相和均相催化劑的功能特點 （6）多相和均相催化劑的同一性 ① 催化劑機理。 ② 催化活性與活化能。第二章 工業催化劑的制造方法

1、沉淀法

（1）沉淀法的分類：單組分沉淀法，共沉淀法，均勻沉淀法，沉浸沉淀法，單晶沉淀法，均勻共沉淀法。 （2）沉淀操作的原理和技術要點 ① 金屬鹽類和沉淀劑的選擇。 ② 沉淀形成的影響因素：濃度，溫度，pH值，加料方式和攪拌強度。 ③ 沉淀的陳化和洗滌。 ④ 干燥、焙燒和活化。

2、浸漬法

各類浸漬法的原理和操作：過量浸漬法，等體積浸漬法，多次浸漬法，浸漬沉淀法，流化噴灑浸漬法，蒸氣相浸漬法。

3、混合法

4、熱熔融法

5、離子交換法

（1）由無機離子交換劑制備催化劑。 （2）由離子交換樹脂制備催化劑。

6、催化劑的成型第三章 催化劑性能的評價、測試和表征

1、概述2、活性評價和動力學研究3、催化劑的宏觀物理性質測定

第四章 工業催化劑的開發

1、概述 2、實驗室工作 3、擴大試驗第五章 工業催化劑的制備設計

1、催化劑及其設計的理論概觀2、催化劑設計的一般程序3、組分設計與驗證性篩選4、熱力學分析與反應通道的設計5、化學反應的機理研究與催化劑設計6、催化劑原材料的選擇第六章 工業催化劑的操作設計

1、操作設計概念2、一般操作經驗3、使用技術中的若干選擇與優化問題三、學習重點與思考題

第一章 工業催化劑概述 1、舉例說明催化劑在國計民生中的作用。 2、1976年國際純粹及應用化學協會公布的催化作用的定義是什么？要求深刻理解其含義。 3、什么是催化劑的基本特征？ 4、為什么催化劑只能改變化學反應的速度，而不能改變化學平衡的位置？ 5、為什么對正方向有效的催化劑對反方向的反應也有效？ 6、根據聚集狀態如何對催化劑進行分類？ 7、按工藝和工程特點如何對催化劑進行分類？ 8、主催化劑的定義是什么？ 9、共催化劑的定義是什么？ 10、助催化劑的定義是什么？ 11、助催化劑可分為哪幾類？它們各自的定義是什么？ 12、載體的定義是什么？ 13、均相配合物催化劑在化學組成上是由什么組成的？ 14、均相配合物催化劑的缺陷是什么？ 15、固體非均相催化劑的優缺點是什么？ 16、均相催化的優缺點是什么？ 17、催化劑為什么具有催化活性？第二章 工業催化劑的制造方法

1、寫出沉淀法的一般操作步驟。 2、單組分沉淀法的用途是什么？ 3、共沉淀法的用途是什么？ 4、舉例說明均勻沉淀法。 5、選擇沉淀劑有何原則？ 6、濃度是如何影響沉淀形成的？ 7、溫度是如何影響沉淀形成的？ 8、攪拌強度是如何影響沉淀形成的？ 9、何謂陳化？如何進行陳化？沉淀的陳化如何影響催化劑性能？ 10、沉淀是如何帶入雜質的？ 11、如何減少或避免雜質的引入？ 12、在催化劑制備中如何進行洗滌？ 13、干燥的目的是什么？ 14、焙燒的目的是什么？ 15、詳述各個因素是如何影響催化劑的還原的？ 16、寫出浸漬法的一般操作步驟。 17、浸漬法有何優點？ 18、浸漬法的基本原理是什么？ 19、敘述在用浸漬法制備催化劑時，活性組分在載體斷面上的不同分布。 20、何為競爭吸附？舉例說明競爭吸附在制備催化劑時的作用。 21、比較各類浸漬法的優缺點。 22、敘述混合法的優缺點。 23、熱熔融法制備的催化劑有何特點？ 24、與浸漬法相比，用離子交換法制備的催化劑有何優點？ 25、沸石的組成是什么？ 26、簡述合成沸石的一般制法。 27、強酸型離子交換樹脂可以代替硫酸作催化劑，其主要優點是什么？ 28、與無機離子交換劑分子篩相比，有機離子交換樹脂有何不足？ 29、比較下列各種催化劑尺寸大小的不同：固定床用催化劑，移動床用催化劑，流化床用催化劑和懸浮床用催化劑。 30、選擇成型方法時要考慮什么因素？ 31、從催化劑使用性質的角度考慮，催化劑顆粒的外形尺寸和形狀有何影響？ 32、試舉出自給造粒成型和強制造粒成型的例子。第三章 催化劑性能的評價、測試和表征

1、判定催化劑的質量和效率的指標是什么？它們分別指的是什么？ 2、寫出轉化率的定義式。 3、何為空速？ 4、何為時空得率？ 5、何為選擇性？ 6、何為收率？ 7、何為單程收率？ 8、簡述氣-固相催化反應的歷程和機理。 9、比較下列各實驗反應器的優劣：積分反應器，微分反應器和無梯度反應器。 10、反應管直徑和催化劑顆粒直徑之比應該取多少？為什么？ 11、如何判斷有無內擴散的影響？怎么排除其影響？ 12、如何判斷有無外擴散的影響？怎么排除其影響？ 13、催化劑顆粒的尺寸大小如何描述？ 14、如何表示催化劑顆粒的粒徑分布？ 15、催化劑會受到哪些機械破壞？ 16、何謂壓碎強度？如何測定？ 17、什么是催化劑中毒？ 18、如何評價和比較催化劑抗毒穩定性？ 19、積碳和結焦是如何引起的？怎樣進行再生？ 20、催化劑比表面積指的是什么？試舉出一些常用的測定方法。 21、常用什么來描述催化劑孔結構的特征？ 22、如何定義催化劑的密度、堆密度和真密度？它們之間的相互關系是什么？ 23、什么是催化劑的比孔容積和空隙率？如何計算？ 24、有什么方法可以測定催化劑的空隙分布？第四章 工業催化劑的開發

1、如何開發工業催化劑？ 2、在開發工業催化劑時，如何準備資料？ 3、剖析催化劑參考樣品的最終目的是什么？ 4、什么是設備的放大效應？ 5、舉例說明制備催化劑時設備放大效應的正負面影響。 6、中型評價實驗的目的是什么？？第五章 工業催化劑的制備設計

1、簡述催化劑設計的一般程序。 2、在催化劑設計中，如何判斷反應熱力學上是否可以進行？ 3、研究非均相催化反應的機理，包括哪些方面？ 4、如何選擇主催化劑？ 5、多相催化反應中，反應物在催化劑作用下轉變成生成物的過程可以分為哪幾個步驟？ 6、反應氣體在催化劑表面上吸附強度如何才能使反應活性最好？為什么？ 7、選擇調變性助催化劑的原則是什么？ 8、選擇結構性助催化劑的原則是什么？ 9、選擇載體時要考慮些什么因素？ 10、反應物分子在催化劑孔內的擴散機理有哪些？它們的定義是什么？ 11、如何選擇孔結構？第六章 工業催化劑的操作設計

1、裝填固定床催化劑有何要求？2、多相固體催化劑的活化經歷哪些過程？3、催化劑為什么要進行鈍化？4、催化劑失活的原因是什么？5、何為催化劑的中毒？6、化學型毒物和選擇型毒物有什么不同？7、如何除去積碳？8、催化劑衰退后應該怎么辦？9、選擇和優化催化劑形狀尺寸的目的是什么？