工业催化课程总结

工业催化课程总结摘要：工业催化这门课着重概括近十几年来催化科学与技术发展的新领域、新成就,即用于能源、环境、材料、生物等领域的催化技术和取得的成就。介绍了工业催化的发展史;增加了环境催化、能源催化、生物催化和新材料催化等专章;加强了催化科学的基础知识,如表面结构化学、催化剂设计与表征的基础知识及传统催化领域知识内容。1.课程概述工业催化这门课从石油天然气化工实用角度出发，以多相催化及各类固体催化剂为主要讨论对象，较系统地介绍了催化作用基本原理，各类固体催化剂，工业催化剂的制备、分析、测试与操作使用方法；介绍了石油炼制催化剂、石油化工催化剂、化肥催化剂、碳一化工催化剂、环境保护催化剂的基本情况和最新研究进展。工业催化涉及到多学科交叉的新知识,新方法，如光催化,电催化，环境催化，能源催化，这些内容都是近十几年来刚刚出现的。2.工业催化概况工业催化在国民化工工业中占有重要的地位，工业催化是理工结合的学科，以分子的化学反应动态学为基础，以控制化学反应方向、途径和速度的功能材料—催化剂和催化反应过程的研究和开发为主要内容，以实现高效的化学过程和资源的高效利用。现代化学工业建立在催化作用的基础上，催化技术已广泛应用于石油化工生产、污染控制及能源转换的工艺过程。研究开发高效多功能催化剂是目前世界石油化学工业界研究的主要方向。2.1工业催化历史工业催化早在70年代，开展了配合辽化引进装置配套催化剂的国产化工作，当时作为国家重大项目曾进行了长达6~7年的研究工作，为辽化的建设做出了贡献。80~90年代，结合焦化苯的综合利用、丙烯齐聚、对二乙苯的直接合成，在大连石化公司所属有机合成厂、石油添加剂厂等进行过中试和工业生产。与此同时先后承担了国家自然科学基金、省部级单位委托课题及各大中型企业的横向课题数十项。在80年代中期本学科在上述几个领域已形成应用基础研究与工业推广应用、培养人才和开发技术相结合的格局，在国内形成了人才结构比较合理、团队精神强，能承担重大科研任务的集体。不仅在研究内容上有特色，而且不断取得有实用价值的成果。2.2工业催化研究方向催化裂化反应过程与催化剂，石油加氢反应过程与催化剂，天然气及轻烃催化转化过程与催化剂，石油化工催化过程与催化剂，催化反应动力学与催化作用基础，吸附储能材料及吸附技术，吸附分离与改质及相关基础研究。2.3工业催化中用到的催化剂①酸碱催化剂因物质的酸、碱性质而发生催化功能的催化剂，它们能使反应物转变为离子型活化了的过渡状态，从而发生催化作用。按催化剂在使用时的状态，可分为液体酸碱催化剂和固体酸碱催化剂，前者多用于液相催化反应系统。②非纳米分子筛催化剂常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3~2nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。③金属催化剂以金属为主要活性组分的固体催化剂。主要是贵金属及铁、钴、镍等过渡元素。有单金属和多金属催化剂。包括块状金属催化剂、分散或负载型催化剂、合金催化剂、金属簇状物催化剂。④金属氧化物和硫化物催化剂金属氧化物催化剂常为复合氧化物（Complexoxides），即多组分氧化物。金属硫化物催化剂也有单组分和复合体系。主要用于重油的加氢精制，加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱金属等过程。⑤络合催化剂通过配位作用而使反应物分子活化的催化剂。在这类催化剂中至少含有一个金属离子或原子，无论母体本身是否是络合物，但在起作用时，催化活性中心是以配位结构出现，通过改变金属配位数或配位基，最少有一种反应分子进入配位状态而被活化，从而促进反应的进行。3.现状与成果3.1国内工业催化的技术状况自第一个五年计划至今，我国工业催化技术取得了可喜成绩，在催化技术及催化剂科研、生产与经营领域已初具规模，部分项目的研究开发已达到国际先进水平，石油化工的催化技术及催化剂产品的科研及生产已趋成熟，部分石油化工引进装置中，国产催化剂取代了进口催化剂，部分催化剂性能达到或超过了进口催化剂水平。在化肥催化剂方面，国内围绕合成氨、硫酸、硝酸及合成气净化等关键技术，从单纯依靠引进，到消化吸收，现已发展到生产20多个品种、100多个牌号的化肥催化剂，基本满足了化肥生产的需要，并有部分出口，如高温变换催化剂、氨合成催化剂、低温变换催化剂等，均处于国际先进水平。目前国内在贵金属氨合成催化剂、稀土变换催化剂、纳米氧化铁催化剂、燃料电池催化剂方面的研究亦和世界同步。在催化剂加氢技术方面，我国起步较晚，但发展迅速。近几年来，催化加氢技术在精细化学品生产中得到广泛使用，在芳胺产品生产中正逐步取代落后工艺。在催化剂研究上，主要是引进技术，还要加强催化剂的改性研究，提高催化剂的选择性和使用寿命，加强催化剂在强化传质、增加反应速度等方面的研究及催化加氢工程化研究。目前，我国部分催化剂仍不能全部自给，每年还需部分进口，催化剂更新换代较慢，总体与发达国家相比仍有一定差距，基础研究水平不高，创新不足，仿制过多，知识产权不明晰，同时还存在投入不足，配套工艺设备技术落后等问题。突出表现在以下几个方面：(1)知识产权面临严峻挑战从催化剂的市场来看，我国已成为国际上较大的催化剂买方市场。国外大公司在争夺我国催化剂销售市场的同时，在国内申请了大量专利，抢占国内催化剂的技术市场。据统计，自1985年4月我国实施专利法以来，国外公司共在我国申请专利逾12万件，超过专利申请总量的15％，特别是与催化剂相关的专利比例很高，约占64％。大批受到专利保护的外国技术对今后发展中国自主知识产权技术形成了严峻的合围态势。(2)各领域的催化剂发展不平衡从催化剂的研制开发情况分析，虽然我国已摆脱模仿阶段，具备了大范围开展自主创新的条件，但不同领域和行业的发展极不平衡。在涉及面广的新领域用催化剂，如高附加值精细化学品合成用催化剂、清洁生产和环保用催化剂等的创新工作还很薄弱，发展相对缓慢，诸多化学合成仍在沿用古老的传统工艺，生产水平低下，能源和资源消耗严重。(3)科技成果产业化工作薄弱我国在催化领域的基础研究工作发展较快，并在催化剂表征和基础研究方面已达到国际同期先进水平。但是，由于资金缺乏以及企业风险承担能力等原因，科技成果的产业化率十分低下，研究开发的许多催化剂目前尚停留在试验阶段，亟待工业化。(4)催化新材料的制备技术存在较大差距随着各种工业过程对催化剂性能的要求日益提高，有关催化剂制备的共性技术受到普遍关注，特别是新型催化材料的开发、催化剂的分子结构设计、催化剂精细加工、催化剂表征技术等发展迅速，如：纳米材料、固体酸碱、功能性微孔和介孔材料、无机—有机复合材料、离子液体等，其制备技术正在向结构设计和控制的层次发展，与发达国家相比，我国在此方面的研究工作起步较晚，差距较大。我国政府和行业主管部门已充分认识到催化在石油化学工业中的战略地位，十分重视催化研究，并进行了中长期研究开发战略部署，将一批基础研究项目列入了国家“八五”和“九五”的重点科技攻关计划项目。3.2工业催化学科成果芳烃的烷基化，如烷基化合成对二烷基苯（对二甲苯、对甲乙苯、对二乙苯、对甲基异丙苯）及烷基苯等重要的有机化工原料。采用分子筛催化剂，无污染。提出的边缘设计催化剂思路，即在接近扩散控制区和接近反应动力学控制区交叉区域，研制工业催化剂的思路，使其活性、选择性、稳定性能有最佳组合。直接法合成对二乙苯技术已在江苏丹阳化工集团公司实现了工业化并有显著的经济效益，从95至98年增加产值1.625亿元。产品销往美国、西欧、东南亚等共九个国家，彻底打破了UOP的垄断地位。3.3工业催化重要贡献工业催化不仅能促进传统化工产业的升级，还是新能源开发及环境产业中高新技术的核心技术，对促进社会经济可持续发展作出重要贡献。面向国家及江苏省在化工行业的重大需求，“十五”以来，工业催化形成了石油化工环保催化剂及催化过程、纳米催化剂制备和纳米催化与分离偶合技术、催化膜材料及膜催化过程、光催化材料及反应过程等四个稳定的研究方向；具备年龄和专业结构合理、创新能力强、团结进取、以青年学者为主体的学术队伍；每年接待短期国外专家到实验室学术交流和访问10次左右，并承办了多次国际国内学术会议；依托省部共建教育部材料化学工程重点实验室，本学科建成了完善的催化剂制备和评价平台，并具备较为完善的催化剂现代表征测试手段；培养了一大批硕士、博士等高层专业人才。非担载纳米颗粒催化剂以其高活性而受到关注，但其目前不能规模生产和应用的关键问题在于催化剂尺度的纳米化而引起的一系列工程问题。本学科开发了具有自主知识产权的陶瓷膜集成纳米粉体催化剂制备新工艺，提出了纳米催化陶瓷膜反应器新概念以解决纳米催化剂应用过程中的催化剂与产品分离的关键问题，并成功设计制造出膜单元与反应器耦合的膜反应器，已在70000吨/年环己酮肟生产成套装置和5000吨/年对氨基苯酚生产装置中得到成功的应用。石油化工高效环保催化剂研究一直是工业催化备受关注的领域。烷烃异构化过程是生产高品质清洁汽油的关键技术，本学科在该过程的复合氧化物强酸催化剂的研究中发现一种高效助剂，催化剂制备方法已获得专利授权，并获得中石化立项资助。乙二醇是石油化工的大吨位产品，本学科研究开发出新的均相催化过程，简化了工艺流程，节能效果显著，在中石化的资助下已完成中试。对二甲苯生产是沸石择形催化应用于石油化工的典型案例，甲苯择形歧化技术未能得到大规模应用的重要原因之一是催化剂活性仍不够高，本学科采用一种新的催化剂制备方法，有望从根本上提高甲苯择形歧化工艺的竞争力。本学科还研制出成功用于酯化、缩合、烃类定相氧化过程生产含氧精细石油化工产品的负载杂多酸(盐)催化剂，已申报多项专利。催化膜材料研制及膜催化反应器研究是新能源利用及转化过程的重大战略课题之一，本学科自主设计并制备出系列新型稳定的透氧和透氢催化膜材料，并成功应用于膜催化反应器，在甲烷部分氧化制合成气等天然气转化反应中获得重要研究进展，相关技术已获2项专利。目前，相关研究室被国际同行评价为世界该研究领域最有影响力的实验室之一。光催化法是最有前途的水源深度净化方法之一，工业催化研究开发具有一维纳米结构的晶须催化剂，保证了催化剂具有纳米催化剂的高活性，又使得催化剂易于分离，采用了流化床反应器技术实现规模化使用，该研究实现了快速、深度氧化低浓度有毒有机废水的目标；另外，采用具有高催化活性的超细光催化剂，与膜分离技术耦合，开发出新型反应器和流程，该研究成果已获得国家发明专利授权。“十五”以来，通过扎实的研究积累，工业催化获得了一批富有特色的研究成果，承担了包括973、863、国家自然科学基金、大型企业委托项目在内的40余项科研项目，获得9项重要的科技奖励，并已经在JCatal、ChemCommun、GreenChem、国际催化大会等重要学术刊物及会议上发表交流了700余篇学术论文，表现出强劲的可持续发展势头。3.总结对于这门课而言，学习任何一门陌生的课程都要讲究学习方法，如果只是带着两只耳朵去听而不去想也不去问为什么，这样的学习效率不高，不能做到举一反三。对于这门课程的学习不仅仅局限在书本上的内容，还要多去阅读期刊杂志，了解最新的工业催化方面的动态以及成果，带着发展的眼光去学习工业催化这门课才能最大程度上的收获知识。