高等學校規劃教材·工業催化

《工業催化》：高等學校規劃教材 ^[1] 

第一篇 催化作用基礎

第1章 催化劑概述1

1.1 催化劑和催化作用1

1.2 催化科學的誕生與發展1

1.3 催化劑和催化作用的基本特徵4

1.4 催化體系的分類7

1.5 催化劑的組成和性能要求10

1.5.1 催化劑的組成10

1.5.2 工業催化劑的基本性能要求13

第2章 多相催化作用基礎16

2.1 催化劑的吸附作用16

2.1.1 吸附概述16

2.1.2 化學吸附態19

2.2 多相催化中的擴散23

2.2.1 擴散的類型23

2.2.2 擴散對反應動力學的影響24

2.2.3 擴散影響的識別和消除26

2.3 催化反應系統的分析27

第二篇 工業催化劑作用原理

第3章 金屬催化劑31

3.1 金屬催化劑的吸附作用31

3.1.1 金屬對氣體的化學吸附能力32

3.1.2 化學吸附強度與催化活性32

3.2 金屬的電子結構理論33

3.2.1 能帶理論33

3.2.2 價鍵理論34

3.3 金屬表面幾何因素與催化活性35

3.3.1 原子間距35

3.3.2 晶面花樣36

3.4 晶格的缺陷與位錯37

3.4.1 晶格缺陷和位錯的主要類型37

3.4.2 晶格不規整性與多相催化37

3.4.3 金屬表面在原子水平上的不均勻性38

3.5 金屬載體間的相互作用38

3.6 合金催化劑39

第4章 金屬氧化物催化劑40

4.1 非計量化合物40

4.1.1 非計量化合物的成因40

4.1.2 非計量化合物的類型41

4.2 半導體的能帶理論42

4.2.1 半導體的能帶結構42

4.2.2 施主和受主43

4.2.3 費米能級和脱出功43

4.3 氣體在半導體上的化學吸附44

4.4 半導體的導電性與催化活性45

4.4.1 N2O的分解45

4.4.2 CO的分解46

4.5 半導體Ef和對催化反應選擇性的影響46

4.6 d電子構型、金屬氧鍵、晶格氧與催化活性47

4.6.1 d電子構型47

4.6.2 金屬氧鍵47

4.6.3 晶格氧（O2）47

第5章 固體酸鹼催化劑49

5.1 酸鹼的定義和性質測定49

5.1.1 酸鹼的定義49

5.1.2 固體酸鹼性質的測定50

5.2 固體酸鹼性的來源53

5.2.1 負載酸54

5.2.2 氧化物及複合氧化物54

5.2.3 金屬鹽55

5.3 固體酸鹼性與催化作用56

5.3.1 酸中心類型與催化作用的關係56

5.3.2 酸強度與催化作用的關係57

5.3.3 酸濃度與催化活性的關係57

5.4 分子篩催化劑58

5.4.1 分子篩的結構58

5.4.2 分子篩的特性和催化性能62

5.4.3 分子篩的酸性來源65

第三篇 工業催化劑的製備、使用、分析測試與表徵

第6章 工業催化劑的製備技術67

6.1 沉澱法67

6.1.1 沉澱原理68

6.1.2 沉澱法的工藝過程69

6.1.3 沉澱法的分類69

6.1.4 金屬鹽前驅體和沉澱劑的選擇71

6.1.5 影響沉澱形成的因素72

6.2 浸漬法74

6.2.1 載體的選擇75

6.2.2 浸漬液的配製75

6.2.3 活性組分在載體上的分佈與控制76

6.2.4 常用浸漬工藝78

6.2.5 浸漬顆粒的熱處理過程79

6.3 混合法81

6.4 離子交換法81

6.5 熔融法82

6.6 其他製備技術82

6.6.1 微乳液技術82

6.6.2 溶膠凝膠法83

6.6.3 等離子體技術84

6.6.4 微波技術84

6.6.5 超聲波技術84

6.6.6 超臨界技術85

6.6.7 膜技術85

6.7 催化劑的成型87

6.7.1 成型工藝概述87

6.7.2 成型對催化劑性能的影響88

6.7.3 成型助劑89

6.7.4 幾種重要的成型方法90

第7章 工業催化劑的使用93

7.1 催化劑的裝填93

7.1.1 催化劑篩分與裝填93

7.1.2 開、停車及鈍化94

7.2 催化劑的活化94

7.2.1 還原活化94

7.2.2 硫化活化96

7.2.3 氧化活化97

7.3 催化劑的失活97

7.3.1 中毒97

7.3.2 積炭99

7.3.3 燒結99

7.3.4 活性組分流失99

7.4 催化劑再生與回收利用100

7.4.1 催化劑再生100

7.4.2 催化劑回收利用101

第8章 催化劑性能的評價、測試和表徵102

8.1 催化劑的性能評價102

8.1.1 實驗室反應器102

8.1.2 性能評價方法105

8.2 催化劑的宏觀物性測定107

8.2.1 顆粒直徑及粒徑分佈108

8.2.2 機械強度測定108

8.2.3 催化劑的抗毒穩定性及其測定110

8.2.4 比表面積測定與孔結構表徵110

8.3 催化劑微觀性質的測定和表徵118

8.3.1 電子顯微鏡在催化劑研究中的應用118

8.3.2 X射線結構分析在催化劑研究中的應用120

8.3.3 熱分析技術在催化劑研究中的應用122

第四篇 工業催化劑各論

第9章 石油煉製催化劑126

9.1 催化裂化催化劑126

9.1.1 催化裂化反應機理和烴類的主要反應126

9.1.2 催化裂化催化劑及其發展127

9.1.3 催化裂化催化劑的製備128

9.1.4 催化裂化催化劑的失活與再生130

9.1.5 催化裂化催化劑的進展與展望131

9.2 催化重整催化劑132

9.2.1 催化重整反應機理和主要反應132

9.2.2 催化重整催化劑的組成和種類133

9.2.3 催化重整催化劑的製備134

9.2.4 催化重整催化劑的失活與再生135

9.2.5 催化重整催化劑的新進展136

9.3 加氫處理催化劑136

9.3.1 催化加氫反應機理和主要反應136

9.3.2 加氫處理催化劑137

9.3.3 加氫處理催化劑的製備139

9.3.4 加氫處理催化劑的失活與再生139

9.3.5 加氫處理催化劑的進展與展望140

9.4 加氫裂化催化劑140

9.4.1 加氫裂化反應機理141

9.4.2 加氫裂化催化劑142

9.4.3 加氫裂化催化劑的製備142

9.4.4 加氫裂化催化劑的進展與展望143

9.5 其他煉油催化劑143

9.5.1 醚化催化劑143

9.5.2 異構化催化劑144

9.5.3 烷基化催化劑145

9.5.4 烯烴疊合催化劑146

9.5.5 柴油氧化脱硫催化劑146

第10章 石油化工（基本有機原料）催化劑148

10.1 概述148

10.1.1 石油化工（基本有機原料）生產技術概述148

10.1.2 石油化工生產中的主要催化劑簡介148

10.2 乙烯及其初級衍生物生產用催化劑149

10.2.1 碳二餾分選擇性加氫除炔149

10.2.2 乙烯部分氧化制環氧乙烷151

10.2.3 乙烯和苯合成乙苯155

10.3 甲醇及其初級衍生物生成用催化劑157

10.3.1 一氧化碳和氫氣合成甲醇157

10.3.2 甲醇羰基合成或乙醛氧化制醋酸159

第11章 化肥工業催化劑163

11.1 脱硫催化劑163

11.1.1 烴類加氫脱硫催化劑163

11.1.2 硫磺回收催化劑165

11.1.3 脱硫劑172

11.1.4 硫氧化碳水解催化劑175

11.2 烴類轉化催化劑175

11.3 一氧化碳變換催化劑176

11.3.1 鐵鉻系高温變換催化劑177

11.3.2 銅鋅系低温變換催化劑179

11.3.3 一氧化碳寬温(耐硫)變換催化劑180

11.4 甲烷化催化劑181

11.5 氨合成催化劑183

11.5.1 氨合成催化劑研究進展183

11.5.2 氨合成鐵催化劑的製備185

11.5.3 預還原催化劑185

11.6 制硝酸和制硫酸催化劑186

11.6.1 氨氧化制硝酸催化劑186

11.6.2 二氧化硫氧化制硫酸催化劑187

第12章 碳一化學催化劑188

12.1 甲醇及低碳醇合成催化劑188

12.1.1 甲醇合成催化劑188

12.1.2 低碳混合醇合成催化劑194

12.2 甲醇氧化制甲醛催化劑195

12.2.1 反應機理195

12.2.2 銀催化劑196

12.2.3 鐵鉬氧化物催化劑197

12.2.4 其他催化劑198

12.3 羰基合成催化劑198

12.3.1 氫甲酰化反應催化劑199

12.3.2 炔烴羰基化催化劑200

12.3.3 烯烴的羰基化催化劑200

12.3.4 甲醇羰基化制醋酸催化劑200

12.3.5 醋酸甲酯羰基化制醋酐催化劑202

12.3.6 氧化羰基化合成碳酸酯催化劑202

12.3.7 硝基化合物的還原羰基化催化劑202

12.4 費託合成催化劑202

12.4.1 費託合成催化劑類型203

12.4.2 費託合成催化劑的製備205

12.5 碳一化學中的催化新工藝206

12.5.1 天然氣的直接轉化207

12.5.2 天然氣間接轉化利用208

12.5.3 膜技術在碳一化學中的應用211

12.5.4 二氧化碳的利用212

第13章 環境保護和環境友好催化技術214

13.1 環境經濟的提出和環境友好概念的產生214

13.2 空氣污染治理的催化技術214

13.2.1 動態源的淨化處理和三效催化劑215

13.2.2 靜態源的淨化處理催化技術218

13.3 工業廢液的催化淨化技術（CWAO）220

13.3.1 工業廢液的來源及主要污染物220

13.3.2 工業廢液的處理方法221

13.3.3 WAO和CWAO221

13.4 大氣層保護與催化技術223

13.4.1 保護臭氧層的催化技術223

13.4.2 控制温室效應氣體排放的催化技術224

13.5 環境友好的催化技術224

13.5.1 零排放與綠色化學224

13.5.2 E因子原子經濟與綠色化工生產227

13.5.3 環境友好催化技術的發展趨勢227

13.6 光催化在環境科學中的應用和光催化環保功能材料231

13.6.1 光催化原理231

13.6.2 光催化在環境科學中的應用232

13.6.3 光催化環保功能材料232

參考文獻233

人類有目的地使用催化劑已經有兩千餘年的歷史，例如粬酶催化劑釀酒制醋。20世紀下半葉，催化技術獲得了空前的發展，化學工業產品種類的增多，生產規模的擴大，無不借助於催化劑和催化技術。目前，催化技術已廣泛應用於化學工業、食品加工、醫藥和環境保護等行業，為人類的生產、生活提供各種產品，在經濟和社會發展中起到舉足輕重的作用。

作為一門科學，催化科學綜合了化學、化學工程、物理、數學等各個學科知識，已發展成為化學工程與技術學科中最具生命力和創造力的一部分，成為學術界研究的焦點。

石油天然氣化學工業是化學工業最重要的一個分支，其生產過程絕大多數都要使用催化劑。據統計，石油天然氣化工生產過程中80%以上的化學反應、60%以上的化工產品和90%以上的新工藝開發，都離不開催化劑，使用的催化劑種類已經超過2000餘種。因此，石油天然氣化工過程中的催化知識，是石油類高校化學工程與工藝專業課程體系的重要組成部分。

本課程的主要任務是介紹催化作用與催化劑的基本知識（主要討論工業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展，使學生理解催化作用的化學本質，熟悉工業催化劑的製備與操作使用技術,瞭解典型的石油天然氣化工催化劑，以便今後從事與催化有關的生產、管理、研究與開發工作。

全書共分四篇十三章：第一篇催化作用基礎（第1章催化劑概述、第2章多相催化作用基礎）；第二篇工業催化劑作用原理（第3章金屬催化劑、第4章金屬氧化物催化劑、第5章固體酸鹼催化劑）；第三篇工業催化劑的製備、使用、分析測試與表徵（第6章工業催化劑的製備技術、第7章工業催化劑的使用、第8章催化劑性能的評價、測試和表徵）；第四篇工業催化劑各論（第9章石油煉製催化劑、第10章石油化工（基本有機原料）催化劑、第11章化肥工業催化劑、第12章碳一化學催化劑、第13章環境保護和環境友好催化技術）。

針對化工專業本科生工業催化課程內容多和學時少的要求，筆者在成書過程中力求做到理論與實踐緊密結合，深入淺出地介紹基本理論知識，並輔以大量工業實例，幫助學生加深理解；為提高學生對知識的應用能力,激發創新意識，特別介紹了一些最新的催化學科進展。本書可作為高等院校化學工程與工藝及相近專業本科生、研究生教材，也可供從事工業催化技術工作的工程技術人員閲讀參考。

本書由唐曉東、王豪、汪芳編著。唐曉東統稿並編寫第1、2、3、4、9章和11.1節，王豪編寫第5～8章，汪芳編寫其餘章節。本書的出版還得到了西南石油大學教材建設委員會、教務處和化學化工學院領導的大力支持，在此一併表示感謝。

由於編者水平有限，書中疏漏在所難免，敬請讀者批評指正。