27061 催化作用基础

    一、课程的基本要求和说明

    催化剂正日益广泛深入地渗透于石油炼制工业、化学工业、高分子材料工业、生物化学工业、食品工业、医药工业以及环境保护产业的绝大部分工艺过程中，起着举足轻重的作用。工业的化学反应通常在反应器中进行，而这些反应器中，绝大部分都必须装有工业催化剂。事实上，催化技术现已成为调控化学反应速度与方向的核心技术。

    催化剂工程是以工业催化剂的制造生产、评价测试、设计开发、操作使用等工程问题为其研究对象的一门科学。它有理由成为21世纪化工行业专门人才所必备的基本知识之一。

    本课程以与催化剂有关的工程问题为主线，涵盖了工业催化剂的精粹部分。

    内容分五大部分：

    1、催化作用的基本原理；
    2、工业催化剂的制造；
    3、催化剂性能的评价、测试和表征；
    4、工业催化剂的开发；
    5、工业催化剂的制备设计和操作设计。

    本课程选用由王尚弟、孙俊全主编的面向21世纪课程教材《催化剂工程导论》一书作为教材。学生以自学为主，既要开阔知识面，也要能举一反三，学以致用。学生通过学习，不但要学会如何生产、制造催化剂，更主要是为了更好地使用好各种催化剂。
        
    二、考核要点

    第一章  工业催化剂概述

    1、催化剂在国计民生中的作用

    2、催化若干术语和基本概念

    （1）催化剂和催化作用的定义
    （2）催化剂的基本特征
    （3）催化剂的分类
    ① 根据聚集状态分类。
    ② 根据化学键分类。
    ③ 按元素周期律分类。
    ④ 根据催化剂组成及其使用功能分类。
    ⑤ 按工艺与工程特点分类。
    （4）催化剂的化学组成和物理结构
    ① 多相固体催化剂：主催化剂，共催化剂，助催化剂（结构助催化剂，电子助催化剂，晶格缺陷助催化剂），载体及其它。
    ② 均相配合物催化剂。
    （5）多相和均相催化剂的功能特点
    （6）多相和均相催化剂的同一性
    ① 催化剂机理。
    ② 催化活性与活化能。
    
    第二章  工业催化剂的制造方法

    1、沉淀法

    （1）沉淀法的分类：单组分沉淀法，共沉淀法，均匀沉淀法，沉浸沉淀法，单晶沉淀法，均匀共沉淀法。
    （2）沉淀操作的原理和技术要点
    ① 金属盐类和沉淀剂的选择。
    ② 沉淀形成的影响因素：浓度，温度，pH值，加料方式和搅拌强度。
    ③ 沉淀的陈化和洗涤。
    ④ 干燥、焙烧和活化。

    2、浸渍法

    各类浸渍法的原理和操作：过量浸渍法，等体积浸渍法，多次浸渍法，浸渍沉淀法，流化喷洒浸渍法，蒸气相浸渍法。

    3、混合法

    4、热熔融法

    5、离子交换法

    （1）由无机离子交换剂制备催化剂。
    （2）由离子交换树脂制备催化剂。

    6、催化剂的成型
    
    第三章  催化剂性能的评价、测试和表征

    1、概述
    2、活性评价和动力学研究
    3、催化剂的宏观物理性质测定

    第四章  工业催化剂的开发

    1、概述
    2、实验室工作
    3、扩大试验
    
    第五章  工业催化剂的制备设计

    1、催化剂及其设计的理论概观
    2、催化剂设计的一般程序
    3、组分设计与验证性筛选
    4、热力学分析与反应通道的设计
    5、化学反应的机理研究与催化剂设计
    6、催化剂原材料的选择  
    
    第六章  工业催化剂的操作设计

    1、操作设计概念
    2、一般操作经验
    3、使用技术中的若干选择与优化问题
     
    三、学习重点与思考题

    第一章  工业催化剂概述
    
    1、举例说明催化剂在国计民生中的作用。
    2、1976年国际纯粹及应用化学协会公布的催化作用的定义是什么？要求深刻理解其含义。
    3、什么是催化剂的基本特征？
    4、为什么催化剂只能改变化学反应的速度，而不能改变化学平衡的位置？
    5、为什么对正方向有效的催化剂对反方向的反应也有效？
    6、根据聚集状态如何对催化剂进行分类？
    7、按工艺和工程特点如何对催化剂进行分类？
    8、主催化剂的定义是什么？
    9、共催化剂的定义是什么？
    10、助催化剂的定义是什么？
    11、助催化剂可分为哪几类？它们各自的定义是什么？
    12、载体的定义是什么？
    13、均相配合物催化剂在化学组成上是由什么组成的？
    14、均相配合物催化剂的缺陷是什么？
    15、固体非均相催化剂的优缺点是什么？
    16、均相催化的优缺点是什么？
    17、催化剂为什么具有催化活性？
    
    第二章  工业催化剂的制造方法

    1、写出沉淀法的一般操作步骤。
    2、单组分沉淀法的用途是什么？
    3、共沉淀法的用途是什么？
    4、举例说明均匀沉淀法。
    5、选择沉淀剂有何原则？
    6、浓度是如何影响沉淀形成的？
    7、温度是如何影响沉淀形成的？
    8、搅拌强度是如何影响沉淀形成的？
    9、何谓陈化？如何进行陈化？沉淀的陈化如何影响催化剂性能？
    10、沉淀是如何带入杂质的？
    11、如何减少或避免杂质的引入？
    12、在催化剂制备中如何进行洗涤？
    13、干燥的目的是什么？
    14、焙烧的目的是什么？
    15、详述各个因素是如何影响催化剂的还原的？
    16、写出浸渍法的一般操作步骤。
    17、浸渍法有何优点？
    18、浸渍法的基本原理是什么？
    19、叙述在用浸渍法制备催化剂时，活性组分在载体断面上的不同分布。
    20、何为竞争吸附？举例说明竞争吸附在制备催化剂时的作用。
    21、比较各类浸渍法的优缺点。
    22、叙述混合法的优缺点。
    23、热熔融法制备的催化剂有何特点？
    24、与浸渍法相比，用离子交换法制备的催化剂有何优点？
    25、沸石的组成是什么？
    26、简述合成沸石的一般制法。
    27、强酸型离子交换树脂可以代替硫酸作催化剂，其主要优点是什么？
    28、与无机离子交换剂分子筛相比，有机离子交换树脂有何不足？
    29、比较下列各种催化剂尺寸大小的不同：固定床用催化剂，移动床用催化剂，流化床用催化剂和悬浮床用催化剂。
    30、选择成型方法时要考虑什么因素？
    31、从催化剂使用性质的角度考虑，催化剂颗粒的外形尺寸和形状有何影响？
    32、试举出自给造粒成型和强制造粒成型的例子。
    
    第三章  催化剂性能的评价、测试和表征

    1、判定催化剂的质量和效率的指标是什么？它们分别指的是什么？
    2、写出转化率的定义式。
    3、何为空速？
    4、何为时空得率？
    5、何为选择性？
    6、何为收率？
    7、何为单程收率？
    8、简述气-固相催化反应的历程和机理。
    9、比较下列各实验反应器的优劣：积分反应器，微分反应器和无梯度反应器。
    10、反应管直径和催化剂颗粒直径之比应该取多少？为什么？
    11、如何判断有无内扩散的影响？怎么排除其影响？
    12、如何判断有无外扩散的影响？怎么排除其影响？
    13、催化剂颗粒的尺寸大小如何描述？
    14、如何表示催化剂颗粒的粒径分布？
    15、催化剂会受到哪些机械破坏？
    16、何谓压碎强度？如何测定？
    17、什么是催化剂中毒？
    18、如何评价和比较催化剂抗毒稳定性？
    19、积碳和结焦是如何引起的？怎样进行再生？
    20、催化剂比表面积指的是什么？试举出一些常用的测定方法。
    21、常用什么来描述催化剂孔结构的特征？
    22、如何定义催化剂的密度、堆密度和真密度？它们之间的相互关系是什么？
    23、什么是催化剂的比孔容积和空隙率？如何计算？
    24、有什么方法可以测定催化剂的空隙分布？
    
    第四章  工业催化剂的开发

    1、如何开发工业催化剂？
    2、在开发工业催化剂时，如何准备资料？
    3、剖析催化剂参考样品的最终目的是什么？
    4、什么是设备的放大效应？
    5、举例说明制备催化剂时设备放大效应的正负面影响。
    6、中型评价实验的目的是什么？？
    
    第五章  工业催化剂的制备设计

    1、简述催化剂设计的一般程序。
    2、在催化剂设计中，如何判断反应热力学上是否可以进行？
    3、研究非均相催化反应的机理，包括哪些方面？
    4、如何选择主催化剂？
    5、多相催化反应中，反应物在催化剂作用下转变成生成物的过程可以分为哪几个步骤？
    6、反应气体在催化剂表面上吸附强度如何才能使反应活性最好？为什么？
    7、选择调变性助催化剂的原则是什么？
    8、选择结构性助催化剂的原则是什么？
    9、选择载体时要考虑些什么因素？
    10、反应物分子在催化剂孔内的扩散机理有哪些？它们的定义是什么？
    11、如何选择孔结构？
       
    第六章  工业催化剂的操作设计

    1、装填固定床催化剂有何要求？
    2、多相固体催化剂的活化经历哪些过程？
    3、催化剂为什么要进行钝化？
    4、催化剂失活的原因是什么？
    5、何为催化剂的中毒？
    6、化学型毒物和选择型毒物有什么不同？
    7、如何除去积碳？
    8、催化剂衰退后应该怎么办？
    9、选择和优化催化剂形状尺寸的目的是什么？