催化剂工程导论_大纲及思考题答案

催化剂 课程教学内容及教学基本要求

第一章 工业催化剂概述

本章重点催化若干术语和基本概念，难点催化剂的化学组成和物理结构。

第一节 催化剂在国计民生中的作用

本节要求了解催化剂在国计民生中的作用(考核概率

5%)。

1 催化剂—化学工业的基石

2 合成氨及合成甲醇催化剂

3 催化剂与石油炼制及合成燃料工业

4 基础无机化学工业用催化剂

5 基本有机合成工业用催化剂

6 三大合成材料工业用催化剂

7 精细化工及专用化学品中的催化

8 催化剂在生物化学工业中的应用

9 催化剂在环境化学工业中的应用

第二节 催化若干术语和基本概念

本节要求理解催化若干术语和基本概念(考核概率90%)，掌握催化剂的化学组成和物理结构(考核概率95%)。 1 催化剂和催化作用

2 催化剂的基本特征

3 催化剂的分类

4 催化剂的化学组成和物理结构

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

7 新型催化剂展望

第二章 工业催化剂的制造方法

本章重点是沉淀法和浸渍法，难点是催化剂的制备原理和技术要点。

第一节 沉淀法

本节要求理解沉淀法的分类(考核概率60%)，掌握沉淀操作的原理和技术要点(考核概率80%)，了解沉淀法催化剂制备实例(考核概率20%)。

1 沉淀法的分类

2 沉淀操作的原理和技术要点

3 沉淀法催化剂制备实例

第二节 浸渍法

本节要求掌握各类浸渍法的原理和操作(考核概率80%)，了解浸渍法催化剂制备实例(考核概率20%)。

1 各类浸渍法的原理及操作

2 浸渍法催化剂制备实例

第三节 混合法

本节要求了解混合法制备催化剂（考核概率20%）

第四节 热熔融法

本节要求了解热熔融法制备催化剂（考核概率20%）

第五节 离子交换法

本节要求理解由无机离子交换剂制备催化剂，由离子交换树脂制备催化剂（考核概率40%）。

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。

第六节 催化剂的成型

本节要求了解催化剂成型工艺，几种重要的成型方法（考核概率20%）。

1 成型与成型工艺概述

2 几种重要的成型方法

第七节 典型工业催化剂制备方法实例

本节要求了解几种典型工业催化剂制备方法实例（考核概率20%）。

第八节 固体催化剂制备方法的新进展

本节要求了解固体催化剂制备方法的新进展（考核概率20%）。

1 纳米材料与催化剂

2 凝胶法与微乳化技术

3 气相淀积法

4 膜催化剂

5 化学键等其他方法

第三章 催化剂性能的评价、测试和表征

本章重点是催化剂的活性评价和动力学研究（考核概率80%），难点是催化剂的宏观物理性质测定。

第一节 概述

本节要求了解催化剂性能的评价、测试和表征的概况（考核概率5%）

第二节 活性评价和动力学研究

本节要求理解活性的测定与表示方法（考核概率50%），了解动力学研究的意义和作用（考核概率10%），掌握积分

反应器和微分反应器（考核概率90%），掌握评价与动力学试验的流程和方法（考核概率90%），了解催化剂评价与动力学研究典型实例（考核概率20%）。

1 活性的测定与表示方法

2 动力学研究的意义和作用

3 实验室反应器

4 评价与动力学试验的流程和方法

5 催化剂评价与动力学研究典型实例

第三节 催化剂的宏观物理性质测定

本节要求了解颗粒直径及粒径分布

1 催化剂的宏观物理性质测定

2 催化剂的微观（本体）性质的测定和表征

第四节 催化剂微观（本体）性质的测定和表征

本节要求了解用相关仪器和方法对催化剂微观（本体）性质进行测定和表征（考核概率20%）。

1 电子显微镜在催化剂研究中的应用

2 X－射线结构分析在催化剂研究中的应用

3 热分析技术在催化剂研究中的应用

第五节 若干近代物理方法在催化剂表征中的应用

本节要求了解若干近代物理方法在催化剂表征中的应用（考核概率10%）

第四章 工业催化剂的开发

本章重点是实验室工作，难点是催化剂参考样品的剖析。

第一节 概述

本节要求了解工业催化剂的开发的概况（考核概率10%）

第二节 实验室工作

本节要求了解工业催化剂的开发的资料准备（考核概率10%），掌握催化剂参考样品的剖析（考核概率30%），理解配方筛选（考核概率20%）。

1 资料准备

2 催化剂参考样品的剖析

3 配方筛选

4 催化剂开发典型小试实例

第三节 扩大试验

本节要求了解工业催化剂的开发过程的中型制备和评价试验（考核概率10%）。

1 中型制备试验

2 中型评价试验

第四节 新型催化剂的工业生产、使用和换代开发

本节要求了解新型催化剂的工业生产、使用和换代开发的工业试用的实例。（考核概率10%）。

第五章 工业催化剂的制备设计

本章的重点工业催化剂设计的基本思路，难点是催化剂原材料的选择。

第一节 催化剂及其设计的理论概观

本节要求了解有关催化剂及其涉及的理论概括（考核概率5%）。

第二节 催化剂设计的一般程序

本节要求掌握催化剂设计的一般程序（考核概率40%）。 1 程序框图

2 设计范例

第三节 组分设计与验证性筛选

本节要求了解催化剂的组分设计与验证性筛选（考核概率10%）。

第四节 热力学分析与反应通道的设计

本节要求理解热力学分析与反应通道的设计（考核概率30%）。

第五节 化学反应的机理研究与催化剂设计

本节要求了解化学反应机理研究实例（考核概率10%）。 1 概述

2 化学反应机理研究实例

第六节 催化剂原材料的选择

本节要求了解可供选择的催化剂材料（考核概率10%），掌握主催化剂、助催化剂和载体的选择（考核概率80%）。 1 可供选择的催化剂材料

2 主催化剂的选择

3 助催化剂的选择

4 载体的选择

第七节 电子计算机辅助催化剂制备设计

本节要求了解电子计算机在催化剂制备设计中的应用（考核概率10%）。

1 数据库

2 专家系统

3 人工神经元网络技术

第六章 工业催化剂的操作设计

本章重点是工业催化剂的操作设计的一般经验，难点是催化剂使用技术中的若干选择与优化问题。

第一节 操作设计概念

本节要求了解操作设计的目的、理论指导（考核概率5%）。

第二节 一般操作经验

本节要求掌握工业催化剂的操作设计的一般经验（考核概率30%）。

1 催化剂的运输和装卸

2 催化剂的活化、钝化和其他预处理

3 催化剂的式或与中毒

4 积炭与烧炭

5 催化剂的寿命和判废

6 催化剂衰退的一般对策

第三节 使用技术中的若干选择与优化问题

本节要求理解催化剂使用技术中的若干选择与优化问题（考核概率30%）。

1 催化剂类型与牌号的选择

2 催化剂形状尺寸的选择和优化

3 催化剂组合装填与串联反应器

4 催化反应器的人为非定态操作

第四节 电子计算机辅助催化剂操作设计

本节要求了解电子计算机在催化剂操作设计中的应用（考核概率20%）。

1 物理化学基础

2 数学模型与数学模拟方法

3 新近催化剂操作设计案例

4 操作设计案例简评与展望

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。P2

答：（一）合成氨; （二）合成甲醇; （三）催化剂与石

油炼制及合成燃料工业（; 四）基础无机化学工业用催化剂;

（五）基本有机合成工业; （六）三大合成材料（合成树脂与塑料、合成橡胶、合成纤维）; （七）精细化工及专用化

学品; （八）生物化学工业; （九）环境化学

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？P12

答：催化作用是一种化学作用，是靠用量极少而本身不被消耗的一种叫做催化剂的外加物质来加速化学反应的现象。

3. 什么是催化剂的基本特征？P13

答：①催化剂能够加快化学反应速率，但本身并不进入化学反应的计量。

②催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。

③催化剂只能加速热力学上可能进行的化学反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。

④催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。

⑤催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。

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？P14

答：在一定外界条件下某化学反应产物的最高平衡浓度，受热力学变量的限制。换言之，催化剂只能改变达到（或接近）这一极限值所需要的时间，而不能改变这一极限值

的大小。

5. 为什么对正方向有效的催化剂对反方向的反应也有效？

P14

答：催化剂不改变化学平衡，故对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。换言之，正反应的催化剂也是逆反应的催化剂。

6. 根据聚集状态如何对催化剂进行分类？P15

答：液体、固体、气体

7. 按工艺和工程特点如何对催化剂进行分类？P17

答：多相固体催化剂；均相配合物催化剂；酶催化剂。

8. 主催化剂的定义是什么？P18

答：起催化作用的根本性物质，没有它，就没有催化作用。

9. 共催化剂的定义是什么？P18

答：能和主催化剂同时起催化作用的组分。

10. 助催化剂的定义是什么？P18

答：催化剂中具有提高主催化剂活性、选择性，改善催化剂的耐热性、抗毒性，机械强度和寿命等性能的组分（通常本身无催化活性或具很低的活性）。

11. 助催化剂可分为哪几类？它们各自的定义是什么？P18

答：（1）结构型助催化剂：使催化活性物质粒度变小，表面积增大，防止或延缓因烧结而降低活性等

（2）电子型助催化剂：由于合金化使空d 轨道发生变化，

通过改变主催化剂电子结构，提高活性和选择性。

（3）晶格缺陷助催化剂： 使活性物质晶面的原子排列无序化，通过增大晶格缺陷浓度提高活性。

12. 载体的定义是什么？P19

答：催化活性组分的分散剂、粘合剂或支载物。多数情况，载体本身是没有活性的惰性固体物质，它在催化剂中含量较高。

13. 均相配合物催化剂在化学组成上是由什么组成的？P22

答：均相配合物催化剂在化学组成上是由通常所称的中心金属(M)和环绕在其周围的许多其他离子或中性分子(即配位体) 所组成的。

14. 均相配合物催化剂的缺陷是什么？P22

答：催化剂分离回收困难，需要稀有贵重金属，热稳定性差及对反应器腐蚀严重等。

15. 固体非均相催化剂的优缺点是什么？P24

答：优点：其气液相产物易于与固相催化剂分离。需要简单的设备条件和有限的操作，催化剂耐热性好，过程易于控制，产品质量高。

缺点：多相催化机理复杂，相间现象变得重要，扩散和吸收、吸附等所有因素，对反应速率起着重要的作用，表面反应机理的分析困难，难于在实验室研究清楚。

16. 均相催化的优缺点是什么？P24

答：优点：均相催化的机理，易于在实验室研究清楚，易于表征。均相配合物可溶于反应介质，分子扩散于溶液中，不受相间扩散的影响，因而其活性比多相催化剂高。

缺点：催化剂的分离、回收及再生工艺操作复杂。均相配合物催化剂所用的中心金属，多采用一些贵金属，国内资金缺乏。均相配合物催化剂的热稳定性差，限定了其反应温度的提高，反应转化率低 ，催化剂耗损大。均相配合物催化剂对金属反应器腐蚀严重。

17. 催化剂为什么具有催化活性？P26

答：催化剂能够降低所催化反应的活化能；而它之所以降低所催化反应的活化能是因为在催化剂的存在下，改变了非催化反应的历程。

第二章 工业催化剂制造方法

1、 写出沉淀法的一般操作步骤。P31

答：是在搅拌的情况下把碱类物质(沉淀剂) 加入金属盐类的水溶液中，再将生成的沉淀物洗涤、过滤、干燥和焙烧，制造出所需要的催化剂前驱物。

2、 单组分沉淀法的用途是什么？P31

答：制备非贵金属的单组分催化剂或载体。

3、 共沉淀法的用途是什么？P31

答：制备高含量的多组分催化剂或催化剂载体。

4、 举例说明均匀沉淀法。P32

答：为了制取氢氧化铝沉淀，可在铝盐溶液中加入尿素溶化其中，混合均匀后，加热升温到90～100℃，此时溶液中尿素水解释放出OH -（90-100℃）：

(NH2) 2CO+H2O→NH4++OH-+CO2↑

氢氧化铝沉淀即在整个体系内均匀而同步地形成。尿素的水解速度随温度的改变而改变，调节温度可以控制沉淀反应在所需要的OH-离子浓度下进行。

5、 选择沉淀剂有何原则？P33

答：(1) 尽可能使用易分解挥发的沉淀剂；

(2) 形成的沉淀物必须便于过滤和洗涤；

(3) 沉淀剂的溶解度要大；可能被沉淀物吸附的量较

少，洗涤脱除残余沉淀剂等也较快。

(4) 沉淀物的溶解度应很小；使沉淀反应完全，原料

消耗量少。

(5) 沉淀剂必须无毒，不应造成环境污染。

6、沉淀形成的影响因素是什么？P34

答：浓度，温度，PH 值，加料方式，搅拌强度

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？P35

答：1）沉淀的陈化：沉淀在形成后发生的一切不可逆变化。

2）陈化操作:沉淀形成后不立即过滤, 而将沉淀物与其

母体一起放置一段时间。

3）在沉淀过程中，沉淀物与母体一起放置一段时间

时，由于细小的晶体比粗大的晶体溶解度大，溶液对于大晶体而言已达到饱和，而对于细小晶体尚未达到饱和，于是细晶体逐渐溶解，并沉积于粗晶体上。如此反复溶解、沉积的结果，基本上消除了细晶体，获得了颗粒大小较均匀的粗晶体。此外，孔隙结构和表面积也发生了相应的变化。而且，由于粗晶体总表面积较小，吸附杂质较小，在细晶体之中的杂质也随溶解过程转入溶液。此外，初生的沉淀比一定具有稳定的结构，他们与母体在高温下一起放置，将会变成稳定的结构。某些新鲜的无定形或胶体沉淀，在陈化过程中逐渐转化而结晶也是可能的。

10、沉淀是如何带入杂质的？

答：表面吸附、形成混晶（固溶体）、机械包藏等。

11、如何减少或避免杂质的引入？P36

答：（1）针对不同类型的沉淀，选用适当的沉淀和陈化条件

（2）在沉淀分离后用适当的洗涤液洗涤

（3）必要时进行在沉淀

12、在催化剂制备中如何进行洗涤？P37

答：溶解度较小的非晶形沉淀，应该选择易挥发的电解制稀溶液洗涤，减少形成胶体的倾向。温热的洗涤液容易将沉淀洗净。洗涤常用倾析法和过滤法。

13、干燥的目的是什么？P37

答：用加热的方法脱除已洗净湿沉淀中的洗涤液。

14、焙烧的目的是什么？P37

答：（1）通过物料的热分解，除去化学结合水和挥发性物质，使之转化为所需要的化学成分，其中可能包括化学价态的变化。

（2）借助固态反应、再结晶，获得一定的晶型、微

粒粒度、孔径和比表面积等。

（3）让微晶适度地烧结，提高产品的机械强度。

第三章 催化剂性能的评价、测试和表征

1. 比速率的概念（体积比速率、质量比速率、面积比速率）。

转化率的定义、空速、 空时、时空得率、选择性、收率、单程收率 P72

2. 气-固相催化反应的历程和机理 P74

3. 积分反应器、微分反应器、无梯度反应器的优缺点 P75

4. 评价与动力学试验的流程和方法 P80

5. 如何设计实验排除内扩散的影响 P82

6. 如何设计实验排除外扩散的影响 P82

7. 催化剂的粒径测定方法 P89

8. 机械强度测定方法P91~92

9. 什么是催化剂中毒？毒物有哪些？P92

10. 评价和比较催化剂抗毒稳定性的方法？P93

11. 催化剂比表面积的测定方法？P93

12. 叙述BET 法测单一比表面积的原理。P93

13. 测定气体吸附量的方法有哪些？P95

14. 催化剂孔结构定义：堆密度、颗粒密度和真密度、比孔容积、孔隙率 P98

15. 孔径分布的测定方法？P99

16. 热分析技术在催化剂研究中的应用 P106

第四章 工业催化剂的开发

1、如何开发工业催化剂？P114

2、在开发工业催化剂时，如何准备资料？P116

3、剖析催化剂参考样品的最终目的是什么？P116

4、什么是设备的放大效应？P133

5、举例说明制备催化剂时设备放大效应的正负面影响。P133

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。P153

2、在催化剂设计中，如何判断反应热力学上是否可以进行？P158

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？P176~182

答： ⑴从活性样本推断 （2）从吸附和吸附热推断

(3)从几何对应性推断（4）从电子态效应推断

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？P181

答：①反应气体通过扩散接近催化剂

②反应气体和催化剂表面发生相互作用，也即发生

化学吸附

③由于吸附，反应物分子的键变松弛或断裂，或同其

他分子相结合，在催化剂表面发生原子和分子的重

排，也即发生化学反应

④新生成的分子作为生成物向气相逸散，即产物脱

附

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？

答：

7、选择调变性助催化剂的原则是什么？P184

答：选择调变性助催化剂的原则：强化主催化剂的优

点，克服其缺点。

8、选择结构性助催化剂的原则是什么？P186

答：1. 要有较高的熔点，在使用条件下是稳定的，最

好不易被还原成金属。

2. 对于催化反应是惰性的，否则就可能改变催化

剂的活性或选择性。

3. 结构性助催化剂应不与活性组分（主催化剂和

调变性助催化剂）发生化学变化。

9、选择载体时要考虑些什么因素？P187

答：化学方面要考虑：比活性，活性组分间的相互作用

（涉及选择性，双功能催化剂），催化剂活性（稳定

性，抗毒，抗烧结）和反应物或溶剂无相互作用等。

物理方面要考虑：比表面积（影响活性，活性组织分

布），孔隙率（影响传质传热），颗粒尺寸与性状（涉

及孔扩散，阻力降），机械稳定性，热稳定性，堆密度

（单反应气体积活性组分含量）；活性相稀释（避免热

点），可分离性（粉末催化剂的过滤）等。

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？

答：

11、如何选择孔结构？P192

答：1. 对于加压反应，一般选用单孔分布的孔结构，其孔

径d 在λ~10λ间选择。对要求高活性来说，d 应尽

量趋于λ，但活性允许的情况下考虑到热稳定性则

应尽量使d 趋于10λ。

2 常压下的反应一般选用双孔分布的孔结构。

3 在有内扩散阻力存在的情况下，催化剂的孔结构对复杂体系反应的选择性有直接的影响。

对于独立进行或平行的反应，为提高催化剂的选

择性应采用大孔结构的催化剂。

对于串连反应如果目的产物是中间产物，也应采

用大孔结构的催化剂。

4. 从目前使用的多数载体来看，孔结构的热稳定性大

致范围是：0-10nm 的微孔在500℃以下，10-20nm

的过渡孔在500-800 ℃范围内，大于200nm 的大孔

在800 ℃下是稳定的。

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？P201~202

答：装填固定床催化剂最重要的要求是保持床层断面

的阻力降均匀。

装填前，检查催化剂，看是否破碎、受潮或污染，

采取相应措施：过筛、干燥等。

装填中，尽量保持催化剂固有机械强度不受损：

定时适当掁动管子－防“桥接”。

装填后，仔细测量料面；对每根装有催化剂的管子测

定阻力降，一般床层高度偏差应小于适当值；

阻力降偏差在±5％以内

2、多相固体催化剂的活化经历哪些过程？P203

答：分解，氧化，还原，硫化等化学反应及物理相

变多种过程。

3、催化剂为什么要进行钝化？P205

答：钝化是活化的逆操作。处于活化态的金属催化剂，

在停车卸出前有时需要进行钝化，否则可能因卸出

催化剂突然接触空气而氧化，剧烈升温，引起异常

升温或燃烧爆炸。

4、催化剂失活的原因是什么？P206

答：沾污（铁锈、粉尘、水垢等）；烧结；结焦或积

碳；中毒等。

5、何为催化剂的中毒？P207

答：原料中极微量杂质导致催化剂活性迅速下降现

象。

6、化学型毒物和选择型毒物有什么不同？P207

答：化学型，最常见。毒物比反应物能够更强烈地吸附

在催化剂活性中心上，由于毒物的吸附导致反应速

度的迅速下降，这个过程是由于毒物和催化剂活性

中心形成较强化学键从而改变了表面的电子状态，

甚至形成一种稳定的、无活性的新化合物。化学吸

附性毒物分为两类：①暂时性毒物；可逆中毒。②

永久性毒物；不可逆中毒。

选择型，毒物不是损害催化剂的活性，而是使催化剂对复杂反应的选择性变坏。

7、如何除去积碳？P211

答： 轻微积碳，还原气氛下蒸汽烧碳；严重积碳，切断原料油，用水蒸气烧碳。

两种情况下都要严格控制温度，一般温度低于

正常运行时的温度。

8、催化剂衰退后应该怎么办？P212

答：1. 在不引起催化剂衰退的条件下使用。2. 增

加催化剂自身耐久性。

3. 衰退催化剂再生：

①催化剂在反应过程中连续再生；

②反应后再生；

③ 采用容易再生催化剂的反应条件。

9、可以采取哪些办法抑制析碳？P214

答：

10、选择和优化催化剂形状尺寸的目的是什么？P214

答：提高转化活性，降低固定床阻力，改善传热。