石油化工催化概论.pdf

前言
众所周知,催化剂和催化作用的研究对生产发展和科技进步起着十分重要的作用。半个
多世纪以来,在现代石油炼制和石油化工的崛起和发展过程中,众多工业催化剂和催化工艺
过程相继开发成功,并应用于工业中。石油炼制和石油化工王艺过程离不开催化剂,可以
说,90%以上的石化产品是通过催化反应获得的。目前,石油炼制与石油化工化剂渗透到
资源(包括石油、天然气、油母页岩等化石燃料、煤、盐、粮食和其他能源)的开发及有效
利用、石油化工企业的环境保护和三废处理等诸多学科领域。它们具有种类多、用量大,技
术复杂的特点。其中相当数量的催化剂伴随着催化科学和技术的进展,不断更新换代。按照
应用领域不同,催化剂可分为石油炼制催化剂、石油化工催化剂、化肥催化剂和环境保护催
化剂四大类
催化技术中催化剂是灵魂。催化技术作为石油化工工艺过程中调控化学反应速率和方向
的核心技术,催化剂的设计开发、制造生产、评价测试和实际应用等,是石油化工行业工程
技术人员学习和研究的重要内容
因此,编写一本专门用于讲授石油化工催化剂和催化作用的教材是有必要的。作为石油
化工类院校的专业教材,应尽量满足高等院校石油化工类“化学工程与工艺”专业教学和人
才培养的需要。因此,在编写本教材的过程中,选材比较注重以下两个方面:
第一,注重基础理论知识的介绍。催化剂和催化作用是一门多学科交叉的学科领域,涉
及的知识面宽,运用的科学术语多。为了提高本书的可读性,本书的前半部分,在介绍催化
剂和催化作用的基础知识的同时,适当茄人了一些相关基本理论的论述,这样也为进一步学
羽各类催化剂及其催化作用打下基础。
第二,以基本有机化工和石油化工催化剂及其应用为重点内容。本书以工业催化剂的基
本原理和知识为基础,着重介绍典型的石油化工催化过程及工艺、石油化工催化剂的选择和
应用,以及催化剂材料的新进展。催化剂制备、性能和使用的理论及实际应用,占据了一定
的篇幅,从而便于业内人士及相关工程技术人员参考。
《石油化工催化概论》全书分为六章。前四章为基础理论和应用基础知识介绍,包括催
化作用的基础知识、吸附ヴ催化、多相催化反应动力学、工业催化剂的使用及表征等内容
第五章介绍了各类右油化工催化剂及催化过程的基本理论和基本概念,以及一些催化剂科学
与工程的新进展。第六章介绍了石油化工催化剂的制备与技术,以及石油化工应用的新型催
化材科等内容。
本书的编写具体分工为:第一章由江苏工业学院邬国英编写,第二章由江苏工业学院林
西平、西安石油大学宋绍富编写,第三章由江苏工业学院单玉华编写,第四章由大庆石油学
院姜涛编写,第五章由姜涛、单玉华、林西平编写,第六章由宋绍富编写。全书由林西平
邬国英统稿和校核。
由于编者水平及知识有限,诸多不妥之处在所难免,敬请读者指教。
编者
2007年5月常州
目录
第一章催化作用的础知识
第一节石油化工催化剂的发展史
第二节石油化工催化过程及催化剂简介…
第三节催化剂及催化作用的基础知识…………………………”18
思考题和习题………43
第二章吸附与催化…………………44
第一节多相催化中的吸附作用
4生
第二节化学键合理论与固体结枃
哪甲甲 ai b
第三节过渡金属及其氧化物化学吸附的基本理论
82
思考题和习题………
90
第三章多相催化反应动力学
92
第一节多相催化反应动力学概论………92
第二节多相催化反应系统中的传质过程……………“…105
思考题和题…………………………………………“……?123
第四章工业催化剂的使用及丧征……………
…い?124
第一节工业催化剂的使用
124
第二节催化剂的宏观结构及其表征
?142
第三节近代分析技术在催化剂研究中的应用
153
第四节多相催化反应动力学的实验研究
思考题和习题
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了
第五章石油化工催化翔及催化过程…………………………“188
第一节酸碱催化剂及其工业应用
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18
第二节过渡金属催化剂及其工业应用
?口春自中●●甲口自由电自电单导身由自
222
第三节过渡金属氧く(硫)化物催化剂及其工业应用
第四节过渡金属配合物催化剂及其工业应用………
第五节双功能催化剂及其工业应用…………………………………26
第六节环保催化剂及其应用……281
思考题和习题·
い303
第六章催化剂的制备与技术
い?…?306
第一节固体催化剂的制备……306
第二节催化剂制备的新技术
…い……い……?334
思考题和习题
b4DD自P●DP学甲
。。れい、?ロい?342
考文献
343
第一章催化作用的基础知识
第一节石油化工催化剂的发展史
催化技术是现代化学工业的核心技术之一。催化技术包括催化剂和催化工艺,其核心是
催化剂。可以说,现代化学工业的发展主要依赖于催化技术的开发。石油化学工业以石油为
资源,包指石油炼制工业、基本有机化工原料工业和有机合成材料工业。在20世纪下半叶,
地球环境问题备受关注,以消除有害物质为目的的“环保催化”跻身于儸化领域,逐渐形成
了目前炼油、化工、环保催化剂三足鼎立之勢。每一种新型催化材料的发现及新催化工艺的
成功应用都会引起相关工艺的重大变革。化学及化工产品约有90%是通过催化过程生产的,
原油在炼油厂要接触催化剂才能转化为石油产品。现今人类面临的环境污染、能源枯竭等
题的解决,很大程度上还得依赖于催化剂及催化工艺。目前环境污染的各类问题几乎都可以
从催化技术中找到解决的方法。
石油化工催化剂的诞生
催化作用在人类生产实践中早已被应用,如用生物催化的发酵过程制酒、制醋已有悠久
的历史。1740年,华德(J.Ward)奠定了铅室法制硫酸的基础,首次使用了催化剂,这是
利用催化技术从事工业生产的开端。1875年,德国的雅各布(E. Jakob)在克罗伊茨纳赫建
立了第一座生产发烟硫酸的接触法装置,制造的铂催化剂是第一个工业催化剂,成为固体工
业催化剂的先驱。1913年,德国巴登苯胺纯碱公司( Badische Anilin& z Soda Fabrik AG,
简称BASF,即巴斯夫公司)开发了用于接触法制备硫酸的负载型钒氧化物催化剂,其寿命
可达几年至十年之久。
1897年,萨巴梯蒂埃(P. Sabatier)发现了高分散度镍的有机催化加氢作用,在此基础
上于1907年建立了油脂加氢生产硬化油的工厂,开启了近代有机工业催化之先河。在同一
时期,以煤炭为原料(转化成水煤气)的一些工业催化过程获得成功,催化发展史上相继出
现了雷尼( Raney〉型骨槊镍、铁系合成氨等金属催化剂。1904年左右,内恩斯特
(w. Nernst)与哈伯(F. Haber)开始从事N2与H2之间反应的理论研究,形成专利技术。
1913年,BASF公司建成合成氨エ厂,为近代化肥工业奠定了基础,对于农业生产和火药、
炸药生产有十分重要的意义。1915年,贝吉乌斯(F. Bergius)研究成功了将煤和焦炭在高
压下转变为液体燃料的过程,1927年由法本工业公司建厂生产。1926年,费