工业催化(李光兴)_李光兴,吴广文主编吴华东,白荣献,杨小俊,胡江林副主编_9787122301932

本书较为全面、系统地阐述了工业催化学科中所涉及的基础知识及工业催化学科中的工艺技术问题，主要包括三大部分。*部分催化基本概念及原理，主要介绍了催化原理、催化体系、各类催化剂的特点和作用原理以及催化活性计算、测试及催化反应器简介，是本章教学的基本知识点。其中，准确理解多相催化、均相催化的作用机理以及熟练掌握各类催化活性计算方法是重中之重。第二部分催化反应及工业应用，详细讨论了各类催化剂体系及其工业应用，将众多的催化反应类别梳理为几类催化反应体系，即，酸碱催化反应、金属氧(硫)化物催化反应、金属催化反应、均相催化反应、环保催化体系。第三部分催化剂制备工程，力求从催化剂制备单元操作入手，介绍其基本原理、制备工艺条件对催化剂性能的影响，有关设备以及催化剂工业放大中一些工程技术问题，将催化剂制备原理与工业生产实践结合，为催化剂制备过程提供基础知识。本书可作为高等院校本科学生、研究生教学之用，也可供高等院校、科研院所、相关企业中从事与工业催化相关的其他工程研究与技术人员参考。

工业催化技术是利用催化剂加快特定化学反应、更快、更多得到目的产物的工程技术，在国民经济许多行业中具有重要价值。近年来，由于高科技的迅速发展，并与催化化学及其他学科高度融合，使得无数工业催化剂开发成功，新型催化反应工艺正日益广泛深入渗透于能源化工、石油炼制工业、化学工业、环保产业、高分子化工以及化学制药绝大部分工艺过程中，起着举足轻重的作用；对于一些传统催化剂，在深入研究的基础上，也实现了更新换代。简而言之，化工过程的核心技术是工业催化，工业催化的灵魂是催化剂和催化反应工程。工业催化是以催化化学为理论基础，以催化剂制备工程及催化反应工程为核心内容支撑的一门工程科学。它是21世纪化工及相关行业人才所必备的基本知识之一。正是由于工业催化如此重要，近年来，业界已经有多部优秀工业催化教材出版。但随着教学体制改革和学科发展、教学计划调整以及教学方式的变化，有必要对工业催化教材作一定更新与调整，以更加适合教学需要。这也是我们要新编工业催化教材的初衷。本书作为教材，为了教与学的方便与清晰，尝试将主要内容划分为三大板块，即工业催化概论与原理、催化剂与工业应用及催化剂制备工程。第一部分，首先简要介绍了催化发展史、科学意义以及在国民经济中的重要作用，并介绍了催化原理、催化体系、各类催化剂的特点和作用原理。催化活性计算、测试及催化反应器简介，是本部分教学的基本知识点。其中，准确理解多相催化和均相催化的作用机理，以及熟练掌握各类催化活性计算方法是重中之重，为此，选用了一定数量的例题。第二部分，详细讨论了主要催化剂体系及其工业应用，这是传统工业催化的主要内容及知识点。为了给学生一个清晰明了的学习方向，我们将众多催化反应类别梳理为几类催化反应体系，即酸碱催化反应、金属氧(硫)化物催化反应、金属催化反应、均相催化反应及环保催化体系。上述分类看似缺乏系统性，有学术分类与应用分类混杂之嫌，但是，无论从知识掌握的角度，还是从实际应用的角度考虑，对于学生及老师而言，都简明扼要，重点突出，易于掌握。由于催化反应系统错综复杂，且日新月异，所有内容不可能在40学时中逐一涉及，但只要掌握了几种代表性的催化剂体系、催化反应基本知识、催化反应工艺及催化反应活性测试技术，就可以举一反三，触类旁通。第三部分，催化剂制备工程，这也是本书的重点。本书力求从催化剂制备单元操作入手，介绍基本原理、制备工艺条件对催化剂性能的影响，有关设备以及催化剂工业放大中一些工程技术问题，将催化剂制备原理与工业生产实践结合，为催化剂制备过程提供基础知识。本部分的设置及详细讲解，意在使学生摆脱长期以来对于催化剂制备处于炒菜技艺阶段的神秘感，消除所谓know how传统误区，尽可能提供完整的催化剂制备理论指导和工艺方案。从知识的源头扭转传统催化剂制造水平低、生产成本高、污染严重的现状。作为教材，讨论题与习题是必不可少的部分，本书也不例外，各章均配有一定数量的习题，供师生参考；文献则选取经典的、重要的、有代表性的。另外，还必须提到，不论是新催化体系的研究开发，还是传统催化剂的更新换代和催化剂表征，都是极其重要的，特别是多相催化剂的表征。催化剂的表征已经成为了解催化作用本质不可或缺的信息，但限于本书篇幅以及认知的循序渐进，作为本科教材，暂未将其列入。再者，催化理论研究进展与新领域开发应用，自然也是人们关心的重点，但作为本科教材，多写嫌其杂，少写则不全，暂且不写。本书主编李光兴教授、吴广文教授均长期从事工业催化的科研开发工作，在催化基本知识、科研开发方面有一定积累，也主讲工业催化课程多年，具有较为丰富的教学经验；两人负责全书的策划、组织编写及定稿，并执笔撰写部分章节。参编人员也都是本领域的年轻学者，具有较好的催化专业知识和积极的参编热情。本书的主要作者有李光兴(华中科技大学)、吴广文(武汉工程大学)以及吴华东(武汉工程大学)、白荣献(华中科技大学)、杨小俊(武汉工程大学)、胡江林(万华化学集团股份有限公司)。各章具体执笔分工如下：第1章由李光兴撰写；第2章由吴广文、李光兴撰写；第3章由白荣献、胡江林撰写；第4章由吴华东撰写；第5章由周丹(湖北大学)、吴华东、杨小俊、刘鹏撰写，第6章由白荣献撰写；第7章由陈丽娟(湖南科技大学)、胡江林撰写；第8章由刘鹏(华中科技大学)、李光兴撰写；第9章由杨小俊、吴广文撰写；第10章由王华军(华中科技大学)撰写。熊芸、何菲等参加了部分章节的整理工作，最后由李光兴、吴广文统稿。在成书过程中，参考了有关工业催化出版物的大量资料，在此致谢。最后，由于催化学科体系十分庞杂，新催化剂、新技术、新工艺日新月异，且编者的学术水平有限，经验不足及篇幅所限，全书中难免挂一漏万，敬请各位师生及读者不惜赐教，批评指正。编者2017年6月

第1章绪论

1.1工业催化学科简介1

1.2课程主要内容及任务2

1.2.1催化学科主要概念2

1.2.2催化实验研究方法4

1.3学习内容及任务5

1.4工业催化发展简史5

1.4.1世界催化发展史5

1.4.2中国催化研究与发展8

1.5催化研究开发前景9

1.5.1催化技术发展趋势9

1.5.2新型催化剂的开发与应用9

1.5.3催化剂制备共性技术及新型催化材料的研究开发11

思考题11

参考文献12

第2章催化作用与催化剂

2.1催化作用定义和特征13

2.1.1定义13

2.1.2催化剂基本特征14

2.2催化剂分类及催化反应分类17

2.2.1催化剂分类17

2.2.2催化反应分类19

2.3催化剂组成24

2.3.1工业催化剂的组成24

2.3.2载体的功能29

2.3.3载体的选择31

2.4催化剂基本性能32

2.4.1活性32

2.4.2选择性36

2.4.3稳定性和寿命39

思考题43

参考文献45

第3章催化作用基本原理

3.1多相催化及吸附动力学46

3.1.1多相催化46

3.1.2化学吸附及催化反应动力学48

3.1.3均匀表面催化反应动力学62

3.2均相催化及配位作用67

3.2.1酸碱催化简介67

3.2.2有机(小分子)催化68

3.2.3配位催化68

思考题82

参考文献84

第4章固体酸碱催化剂及其工业应用

4.1酸碱催化剂的应用及分类85

4.1.1固体酸催化剂的应用85

4.1.2固体酸碱催化剂的分类86

4.2酸碱定义及酸碱中心的形成86

4.2.1酸碱定义86

4.2.2酸碱中心的形成87

4.3固体表面酸碱的性质及其测定91

4.3.1酸位的类型及其鉴定91

4.3.2酸中心的强度及其测定92

4.3.3酸中心的浓度及其测定94

4.3.4固体碱的强度与碱量95

4.4典型酸碱催化剂及其催化作用95

4.4.1酸碱催化作用机理95

4.4.2典型酸碱催化剂及其催化作用100

4.5固体酸催化剂的工业应用106

4.5.1分子筛催化剂及催化裂化反应106

4.5.2甲醇制烯烃117

思考题121

参考文献121

第5章金属氧(硫)化物催化剂及其催化作用

5.1金属氧化物的结构122

5.1.1单一金属氧化物的晶体结构123

5.1.2复合金属氧化物的晶体结构125

5.2金属氧化物的催化作用127

5.2.1金属氧化物催化剂的电子特性127

5.2.2金属氧化物催化剂的氧化还原机理128

5.3典型金属氧化物催化剂的应用130

5.3.1催化氧化制顺丁烯二酸酐130

5.3.2V2O5催化氧化制邻苯二甲酸酐133

5.3.3Bi2O3-MoO3催化丙烯氧化制丙烯酸136

5.4典型金属硫化物催化剂的应用138

5.4.1金属硫化物催化剂在加氢脱硫中的应用138

5.4.2水煤气变换催化剂及其工业应用147

思考题151

参考文献151

第6章金属催化剂及其催化作用

6.1金属催化剂及其应用153

6.1.1金属催化剂的应用153

6.1.2金属催化剂的特性154

6.2金属催化剂的结构155

6.2.1固体表面结构与缺陷155

6.2.2金属表面的吸附157

6.3金属催化剂的电子因素与催化作用160

6.3.1金属表面化学键160

6.3.2金属催化剂的电子因素与催化活性162

6.4金属催化剂的晶体结构与催化作用163

6.4.1金属催化剂的晶体结构163

6.4.2晶体结构对催化作用的影响165

6.4.3金属催化剂表面的晶格缺陷和不均匀性167

6.5各类金属催化剂及其催化作用169

6.5.1块状金属催化剂169

6.5.2负载型金属催化剂169

6.5.3合金催化剂175

6.5.4非晶态合金催化剂175

6.5.5金属互化物催化剂177

6.5.6金属簇状物催化剂177

6.5.7金属膜催化剂178

6.6金属催化剂的工业应用178

6.6.1石脑油重整反应及重整催化剂178

6.6.2氨合成催化剂181

6.6.3费托合成183

6.6.4乙烯环氧化制环氧乙烷银催化剂187

思考题188

参考文献189

第7章均相催化工业应用

7.1概述190

7.2丙烯氢甲酰化191

7.2.1催化体系192

7.2.2反应机理192

7.2.3商业催化剂中配体种类194

7.2.4工艺流程195

7.3甲醇羰基化合成乙酸197

7.3.1反应机理198

7.3.2工艺流程198

7.4催化氧化乙烯合成乙醛（Wacker工艺）199

7.4.1反应机理199

7.4.2工艺流程200

7.5均相催化乙烯齐聚反应（SHOP）200

7.5.1反应机理201

7.5.2工艺流程201

7.6烯烃均相催化聚合及Zeigler-Natta催化剂202

7.6.1Zeigler-Natta催化剂202

7.6.2反应机理204

7.6.3乙烯聚合工艺流程204

7.7丙烯催化聚合及茂金属催化剂207

7.7.1茂金属催化剂207

7.7.2反应机理207

7.7.3工艺流程209

7.8不对称催化合成：不对称加氢案例210

7.8.1催化加氢合成左旋多巴211

7.8.2左旋萘普生的合成212

思考题212

参考文献214

第8章环境保护催化

8.1环境保护催化技术的发展趋势215

8.2汽、柴油催化深度脱硫216

8.3烟气的催化脱硫217

8.3.1烟气的干式催化氧化法脱硫217

8.3.2烟气的催化还原脱硫法：Claus工艺219

8.4烟气的催化脱硝221

8.4.1非选择性催化还原法221

8.4.2选择性催化还原法223

8.5机动车尾气的催化净化处理225

8.5.1汽车尾气排放的特点225

8.5.2汽油车尾气催化净化原理227

8.5.3汽油车尾气催化转化器227

8.6有机废气（VOCs）的催化燃烧技术230

8.6.1VOCs的处理技术分类230

8.6.2VOCs的催化燃烧原理231

8.6.3催化燃烧用催化剂231

8.6.4VOCs的催化燃烧工艺233

8.7二氧化钛光催化降解气相污染物234

8.7.1VOCs光催化降解机理235

8.7.2气相光催化速率的影响因素236

8.7.3光催化降解过程中催化剂的失活和再生237

思考题237

参考文献238

第9章催化剂制备工程

9.1工业催化剂的制备与放大239

9.1.1催化剂制备工程及流程239

9.1.2催化剂制备过程的放大242

9.2催化剂制备过程对活性的影响243

9.3催化剂制备化学工艺原理244

9.3.1沉淀法245

9.3.2浸渍法254

9.3.3溶胶-凝胶法263

9.3.4离子交换法268

9.3.5混合法270

9.3.6熔融法271

9.4催化剂成型技术273

9.4.1喷雾成型274

9.4.2转动成型275

9.4.3挤条成型278

9.4.4压片成型280

思考题281

参考文献281

第10章催化活性测试及催化反应器

10.1催化剂活性测试283

10.1.1催化剂活性测试目标283

10.1.2催化剂活性评价参数的选择284

10.1.3活性表示方法284

10.2实验室催化反应器286

10.2.1两种理想反应器287

10.2.2积分反应器288

10.2.3微分反应器289

10.2.4无梯度反应器290

10.2.5滴流床反应器292

10.3催化剂活性测试方法294

10.4多相催化反应的传质效应296

10.4.1多相催化反应的步骤及传递特征296

10.4.2本征动力学和宏观动力学297

10.4.3传质的影响298

10.5典型的工业催化反应器300

10.5.1固定床催化反应器301

10.5.2流化床催化反应器302

10.5.3气-液-固三相鼓泡淤浆床催化反应器304

10.6催化剂活性测试实例305

思考题308

参考文献308

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