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催化剂工程导论（第二版） - 王尚弟、孙俊全编著

上一篇 / 下一篇 2008-04-03 22:50:54

出版日期:2007年4月
本书自2001年8月出版以来，先后重印过三次。读者的关注和市场的接纳，感染了我们，并在出版社编辑的要求下，着手修订再版。

有关催化的著述已经相当浩繁。当时之所以还要再写这本书，无非是希望为整合后的“化学工程与工艺”专业，量身定制一本工业催化的入门教科书，并且主要突出工科教材的实用性，以及它的可接受性。

从本书初版后读者的反响看，我们当初的希望没有落空。有几位从事化工生产的民营企业家，买书看过之后，辗转找到我们，为的是面对面地讨论一下本书，以及他们的难题。

一些学生，从学长们那里听到过对催化课题的议论：“研究就是研制，研制就是制备，制备就是全凭经验盲目地筛选配方。”当这些学生自己也进入毕业前的课题研究，再翻翻上课时无暇顾及的这本催化教材时，其中有的人也许就会想到“原来催化剂是可以这样来研究的”。

不错，国内外前沿的催化剂研究方法就是这样地在变化着，发展着。如今，许多工业催化剂配方已经可以在进行必要而精炼的若干“样本试验”之后，借助电脑，预先粗略地设计出来。信息技术与合成化学的完美结合，正改变着21世纪的化工，也发展着21世纪的工业催化。目前，有关各种“聚合物分子设计”之类的专用软件信息，人们已经不难从期刊、互联网上找到。

本次修订与初版的间隔时间不长，因而，除删节一些过时的内容，订正若干初版的谬误，以及润色部分欠妥的文字之外，篇章结构等主要内容变更不多，仅增写了篇幅有限的“纳米催化材料”一章。近十年来，纳米材料的高新科技异军突起，激活了以往相对较为沉寂的无机精细化工（与有机精细化工和功能高分子相比），这其中也包括了某些固体催化剂。这种新形势发展下去，其影响之所及，我们大家在数年之后就会更加明显地感觉到。

王尚弟2006年3月于浙江大学玉泉校区

第1章工业催化剂概述1

11催化剂在国计民生中的作用1

111催化剂——化学工业的基石1

112合成氨及合成甲醇催化剂2

113催化剂与石油炼制及合成燃料工业4

114基础无机化学工业用催化剂6

115基本有机合成工业用催化剂6

116三大合成材料工业用催化剂6

117精细化工及专用化学品中的催化8

118催化剂在生物化工中的应用9

119催化剂在环境化工中的应用10

12催化术语和基本概念12

121催化剂和催化作用12

122催化剂的基本特性13

123催化剂的分类15

124催化剂的化学组成和物理结构17

125多相、均相和酶催化剂的功能特点24

126多相、均相和酶催化剂的同一性25

127新型催化剂展望27

参考文献28

第2章工业催化剂的制造方法30

21沉淀法30

211沉淀法的分类31

212沉淀操作的原理和技术要点33

213沉淀法催化剂制备实例39

22浸渍法40

221各类浸渍法的原理及操作42

222浸渍法催化剂制备实例43

23混合法45

231固体磷酸催化剂的制备（湿混法）45

232转化吸收型锌锰系脱硫剂的制备（干混法）46

24热熔融法46

241用于合成氨的熔铁催化剂46

242骨架镍催化剂47

243粉体骨架钴催化剂47

244骨架铜催化剂48

25离子交换法48

251由无机离子交换剂制备催化剂48

252由离子交换树脂制备催化剂52

26催化剂的成型54

261成型与成型工艺概述54

262几种重要的成型方法57

27典型工业催化剂制备方法实例61

例21工业合成氨铁系催化剂的制备61

例22国产SO2氧化钒系催化剂的工业制备63

例23新型合成甲醇铜系催化剂及其制备方法64

例24一种作催化剂载体用氧化铝的制备方法65

例25丙烯氨氧化生产丙烯腈流化床催化剂66

例26ZSM5分子筛的新合成工艺66

例27铂铼重整催化剂的制备方法67

参考文献68

第3章催化剂性能的评价、测试和表征70

31概述70

32活性评价和动力学研究71

321活性的测定与表示方法71

322动力学研究的意义和作用73

323实验室反应器74

324评价与动力学试验的流程和方法80

325催化剂评价和动力学研究典型实例83

例31SO2氧化用钒催化剂的评价和动力学83

例32净化汽车尾气用蜂窝状催化剂活性评价84

例33在PtSn/Al2O3催化剂上丙烷脱氢反应动力学84

33催化剂的宏观物理性质测定88

331颗粒直径及粒径分布88

332机械强度测定91

333催化剂的抗毒稳定性及其测定92

334比表面积测定与孔结构表征93

34催化剂微观(本体)性质的测定和表征101

341电子显微镜在催化剂研究中的应用101

342X射线结构分析在催化剂研究中的应用103

343热分析技术在催化剂研究中的应用106

35若干近代物理方法在催化剂表征中的应用109

351电子探针分析110

352X射线光电子能谱(XPS)110

353俄歇(Auger)电子能谱(AES)110

354穆斯堡尔(Mssbauer)谱110

355磁性分析及顺磁共振111

356红外光谱111

357各种近代物理手段与微型催化色(质)谱技术的联用111

358中试装置表面分析系统的联用112

参考文献113

第4章工业催化剂的开发114

41概述114

42实验室工作116

421资料准备116

422催化剂参考样品的剖析116

例41ICI 461/464催化剂的剖析117

423配方筛选123

424催化剂开发典型小试实例124

例42国产轻油水蒸气转化镍系催化剂小试结果124

例43国产新型耐硫CO变换催化剂的稳定性试验127

例44丙烯氧化制丙酮四元催化剂的工艺条件试验129

例45丁烯氧化脱氢制丁二烯七组分催化剂的非正常操作条件试验131

43扩大试验131

431中型制备试验131

432中型评价试验133

例46英国ICI公司的石脑油转化催化剂中型试验134

例47国产茂金属催化剂APE1气相法聚乙烯中试研究136

例48国产轻油水蒸气转化催化剂中型试验139

例49CO选择氧化催化剂侧流试验141

44新型催化剂的工业生产、试用和换代开发142

例410轻油水蒸气转化催化剂装管试验143

例411国产耐硫变换催化剂的工业试用和换代开发144

例412国产环氧乙烷生产用YS系列银催化剂的应用和换代开发146

参考文献147

第5章工业催化剂的制备设计149

51催化剂及其设计的理论概观150

52催化剂设计的一般程序152

521程序框图152

522设计范例154

例51甲烷部分氧化制甲醛(一步法)多相催化剂设计程序154

53组分设计与验证性筛选157

例52加氢催化剂的筛选157

54热力学分析与反应通道的设计158

例53丙烷氨氧化制丙烯腈化学平衡常数Kp的计算159

例54甲烷水蒸气转化制氢主副反应的热力学分析160

例55萘氧化的热力学通道分析162

例56用多种方法改变反应通道的可能性163

55化学反应的机理研究与催化剂设计164

551概述164

552化学反应机理研究实例166

例57由合成气合成醇的原位红外光谱研究166

例58甲烷氧化偶联制乙烯反应中间氧化物种的原位拉曼光谱研究167

例59丙烷氨氧化制丙烯腈催化剂的原位红外研究169

56催化剂原材料的选择175

561可供选择的催化剂材料175

562主催化剂的选择176

563助催化剂的选择183

564载体的选择186

57电子计算机辅助催化剂制备设计192

571数据库193

572专家系统193

573人工神经元网络技术195

例510电子计算机辅助丙烷氨氧化制丙烯腈催化剂设计197

参考文献198

第6章工业催化剂的操作设计200

61操作设计概念200

62一般操作经验201

621催化剂的运输和装卸201

例61天然气一段蒸汽转化催化剂的装填203

622催化剂的活化、钝化和其他预处理203

例62国产铁铬系CO中温变换催化剂的活化205

623催化剂的失活与中毒206

例63国产甲烷化催化剂硫中毒试验208

例64天然气水蒸气转化催化剂的中毒及再生208

624积碳与烧碳209

625催化剂的寿命和判废211

626催化剂衰退的一般对策212

63使用技术中的若干选择与优化问题213

631催化剂类型和牌号的选择213

632催化剂形状尺寸的选择和优化214

633催化剂组合装填与串联反应器218

634催化反应器的人为非定态操作220

64电子计算机辅助催化剂操作设计222

641物理化学基础222

642数学模型与数学模拟方法225

643新近催化剂操作设计案例227

例65乙烯环氧化制环氧乙烷催化反应模拟227

例66乙苯脱氢反应器的人工神经元网络模型及其工况模拟与优化229

例67国产CTVⅢ型乙烯氧乙酰化催化剂的操作设计231

644操作设计案例简评与展望236

参考文献237

第7章工业聚烯烃催化剂238

71引言238

72配位聚合机理及其催化剂制备240

721概述240

722极性单体的配位聚合241

例71正丁基锂催化剂的制备242

723π烯丙基化合物引发聚合242

例72双（π烯丙基）镍（C6H10Ni）催化剂的制备243

例73双μ溴二（烯丙基）二镍（C6H10NiBr2）催化剂的制备244

73ZieglerNatta催化剂244

731Ziegler催化剂和Natta催化剂概述244

732ZieglerNatta催化剂的主要化学组分245

733TiCl3AlEt3催化丙烯聚合速率方程253

734丙烯配位聚合反应机理254

735高效催化剂256

736聚合物的立构规整性259

74铬系催化剂261

741催化反应原理262

742聚合实例264

75茂金属催化剂265

751茂金属及其特点265

752甲基铝氧烷(MAO)266

753茂金属催化剂的分类及特点266

76后过渡金属非茂催化剂277

761Ni(Ⅱ)和Pd(Ⅱ)及其后过渡金属催化剂的结构与活化反应277

762后过渡金属催化的烯烃聚合反应278

763后过渡金属催化乙烯与CO共聚反应279

764后过渡金属催化剂的特点280

77聚烯烃催化剂的开发281

例74负载型铬系聚乙烯催化剂281

例75改进的ZieglerNatta型聚丙烯催化剂283

例76适于烯烃聚合用的负载型金属茂类化合物／铝氧烷催化剂的制备284

例77合成间规聚苯乙烯的催化剂体系及其制法286

例78用于烯烃聚合过程的新型高效催化剂286

参考文献288

第8章纳米催化材料290

81概述290

82纳米催化材料的制备方法292

821化学气相淀积法CVD293

822溶胶凝胶（SolGel）法295

823水热合成法296

824微乳液法296

825介孔膜催化材料的制法298

826碳纳米管的性能和制法299

827其他300

83测试表征要点301

84研发案例述评303

例81TiCl4水解制纳米氧化钛粉体303

例82用四氯化钛醇解法制备TiO2纳米粉体303

例83纳米TiO2微球的制备及光催化性能研究304

例84纳米TiO2薄膜光催化降解苯胺304

例85均相沉淀法制备αFe2O3纳米晶306

例86含纳米粉体的乙苯脱氢制苯乙烯催化剂307

例87胶体沉淀法制备纳米Fe2O3308

例88粒径和紫外吸收波长可控的氧化锌纳米晶制法309

例89纳米尺寸丝光沸石的合成方法310

参考文献311

第9章若干催化剂的新进展313

91均相配合物催化剂的应用313

911羰基化反应及其催化剂314

例91以丙烯为原料的OXO合成315

例92甲醇羰基合成制醋酸316

例93Wacker法乙烯选择氧化制乙醛317

912不对称加氢：Monsanto L多巴过程318

913SHOP法乙烯齐聚319

92新型分子筛催化材料的应用320

921ZSM5和择形分子筛320

922分子筛的酸性324

923分子筛的同形替代材料325

924金属掺杂分子筛326

925分子筛催化剂的应用328

93环境保护用催化剂329

94前沿的催化过程和催化剂开发趋向334

941均相催化334

942多相催化335

943相转移催化337

944酶催化在化工中的应用338

参考文献340 本书可作为化学工程与工艺及相近专业的教材或教学参考书，亦可供有关工程技术人员阅读参考。本书是将工业催化剂的制备生产、评价测试、设计开发、操作使用等重要工程问题的探讨与该学科前沿的研究进展融合编著而成。本书特色在于：催化理论与化工实践并重，体系新颖独特；既有相当的知识广度，又有适中的学术深度；特别注重实际工程案例的分析评述，以期有助于读者提高分析解决催化剂工程问题的能力。
全书共分9章：工业催化剂概述，工业催化剂的制造方法，催化剂性能的评价、测试和表征，工业催化剂的开发，工业催化剂的制备设计，工业催化剂的操作设计，工业聚烯烃催化剂，纳米催化材料，若干催化剂的新进展。
本书可作为化学工程与工艺及相近专业的教材或教学参考书，亦可供有关工程技术人员阅读参考。
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