工業催化(第二版)（簡體書）

前言
本書自第一版問世以來，已經歷了近10年時間。這期間，催化科學和技術迅速發展，並與催化化學及其他學科高度融合，使得眾多工業催化劑開發成功，新型催化反應工藝正日益廣泛深入地滲透於能源化工、石油煉制、環境保護、生物化工以及製藥工程等工藝過程中，並起著舉足輕重的作用；一些傳統的固體催化劑，在深入研究的基礎上，也不斷更新換代。此外，隨著均相催化劑多相化研究的發展，許多新型催化劑相繼得以開發，它們兼有均相催化劑和多相催化劑的優點，已成為重要的石油天然氣化工、精細化工和綠色化工催化劑。因此，有必要對本書第一版的內容進行調整和更新，從而更全面地反映當前催化研究和應用的新進展。
本次教材的再版修訂，在保持整體框架和定位不變的前提下，對第一版進行了大幅度的增改，試圖能較全面地反映催化原理、催化科學和技術，尤其是石油天然氣化工技術近十年所取得的巨大進步和最新發展。修訂版擴大了篇幅，從原來的13章增加為16章，增加了均相催化基礎、均相催化劑及助催化劑與載體等章節；加強了催化作用基礎和催化劑作用原理方面的理論知識，增補了催化劑制備和表征新技術；在工業催化劑各論章節，刪掉了一些過時的內容，更新了工業催化劑在石油天然氣化工領域的新進展。另外，各章還增設了一定數量的思考題。
本書第一版得到了許多讀者和同行的支持、鼓勵和建設性意見。此次再版保留了第一版催化理論與工業催化實踐並重的特點，深入淺出地介紹基本理論知識，並輔以大量工業實例，特別更新了催化技術在石油天然氣化工、精細化工與綠色化工催化領域的研究進展，具有適中的理論深度和相當的知識廣度，有助於提高讀者分析解決工業催化問題的能力。
《工業催化》（第二版）編寫分工如下，唐曉東編寫第1～6章和14.1節，王宏編寫7～11章，汪芳編寫其餘章節，全書由唐曉東統稿並校核。在本書編寫過程中，我們參考了國內外眾多專家和學者的觀點及新近的研究成果，在此向有關作者表示感謝。本書的出版得到了西南石油大學教材建設委員會、教務處和化學化工學院領導的大力支持，在此一並致以誠摯的謝意。
限於筆者的學識水平，書中疏漏和不足在所難免，敬請專家、同行和讀者斧正。

編者
2019年9月


第一版前言
人類有目的地使用催化劑已經有兩千餘年的歷史，例如粬酶催化劑釀酒制醋。20世紀下半葉，催化技術獲得了空前的發展，化學工業產品種類的增多，生產規模的擴大，無不借助於催化劑和催化技術。目前，催化技術已廣泛應用於化學工業、食品加工、醫藥和環境保護等行業，為人類的生產、生活提供各種產品，在經濟和社會發展中起到舉足輕重的作用。
作為一門科學，催化科學綜合了化學、化學工程、物理、數學等各個學科知識，已發展成為化學工程與技術學科中最具生命力和創造力的一部分，成為學術界研究的焦點。
石油天然氣化學工業是化學工業最重要的一個分支，其生產過程絕大多數都要使用催化劑。據統計，石油天然氣化工生產過程中80%以上的化學反應、60%以上的化工產品和90%以上的新工藝開發，都離不開催化劑，使用的催化劑已經超過2000餘種。因此，石油天然氣化工過程中的催化知識，是石油類高校化學工程與工藝專業課程體系的重要組成部分。
本課程的主要任務是介紹催化作用與催化劑的基本知識（主要討論工業上使用最多的多相催化）以及各類常用的石油天然氣化工催化劑及其新進展，使學生理解催化作用的化學本質，熟悉工業催化劑的制備與操作使用技術，了解典型的石油天然氣化工催化劑，以便今後從事與催化有關的生產、管理、研究與開發工作。
全書共分四篇十三章：第一篇工業催化作用基礎（第1章催化劑概述、第2章多相催化作用基礎）；第二篇工業催化劑作用原理（第3章金屬催化劑、第4章金屬氧化物催化劑、第5章固體酸堿催化劑）；第三篇工業催化劑的制備、使用、分析測試與表征（第6章工業催化劑的制備技術、第7章工業催化劑的使用、第8章催化劑性能的評價、測試和表征）；第四篇工業催化劑各論［第9章石油煉制催化劑、第10章石油化工（基本有機原料）催化劑、第11章化肥工業催化劑、第12章碳一化學催化劑、第13章環境保護和環境友好催化技術］。
針對化工專業本科生工業催化課程內容多和學時少的要求，筆者在成書過程中力求做到理論與實踐緊密結合，深入淺出地介紹基本理論知識，並輔以大量工業實例，幫助學生加深理解；為提高學生對知識的應用能力,激發創新意識，特別介紹了一些最新的催化學科進展。本書可作為高等院校化學工程與工藝及相近專業本科生、研究生教材，也可供從事工業催化技術工作的工程技術人員閱讀參考。
本書由唐曉東、王豪、汪芳編著。唐曉東統稿並編寫第1～4、9章和11.1節，王豪編寫第5～8章，汪芳編寫其餘章節。本書的出版還得到了西南石油大學教材建設委員會、教務處和化學化工學院領導的大力支持，在此一並表示感謝。
由於筆者水平有限，書中疏漏在所難免，敬請讀者批評指正。

編者
2010年1月

第1篇工業催化作用基礎
第1章緒論/2
1.1催化科學的誕生與發展/2
1.2催化技術的重要應用領域/6
1.2.1能源與化工催化/6
1.2.2化肥催化/7
1.2.3環境催化/8
1.2.4生物催化/9
1.2.5手性（不對稱）催化/9
1.2.6新材料合成和新型催化材料/10
思考題/10

第2章催化劑概述/11
2.1催化劑和催化作用的基本特征/11
2.2催化體系的分類/14
2.2.1按催化反應體系物相的均一性分類/14
2.2.2按催化作用機理分類/16
2.2.3按催化反應類別分類/16
2.3催化劑的組成及工業催化劑的基本性能要求/17
2.3.1催化劑的組成/17
2.3.2工業催化劑的基本性能要求/18
思考題/21

第3章催化作用基礎/23
3.1多相催化/23
3.1.1催化劑的吸附作用/23
3.1.2多相催化中的擴散/31
3.2均相催化/35
3.2.1均相催化的特點/36
3.2.2均相催化理論/36
3.2.3均相催化和多相催化的關聯/38
3.3催化反應系統的分析/39
3.3.1催化反應系統簡述/39
3.3.2中間物的活性本質/40
3.3.3催化循環/40
思考題/42

第2篇工業催化劑作用原理
第4章金屬催化劑/44
4.1金屬催化劑的吸附作用/45
4.1.1金屬對氣體的化學吸附能力/45
4.1.2化學吸附強度與催化活性/46
4.2金屬的電子結構理論/47
4.2.1能帶理論/47
4.2.2價鍵理論/47
4.3金屬表面幾何因素與催化活性/49
4.3.1原子間距/49
4.3.2晶面花樣/50
4.4晶格的缺陷與位錯/51
4.4.1晶格缺陷和位錯的主要類型/51
4.4.2晶格不規整性與多相催化/51
4.4.3金屬表面在原子水平上的不均勻性/52
4.5各類金屬催化劑及催化作用/53
4.5.1塊狀金屬催化劑/53
4.5.2負載型金屬催化劑/53
4.5.3合金催化劑/56
4.5.4金屬互化物催化劑/57
4.5.5金屬簇合物催化劑/57
4.5.6金屬膜催化劑/59
思考題/60

第5章金屬氧化物催化劑/61
5.1非計量化合物和計量化合物/62
5.1.1非計量化合物的成因/62
5.1.2非計量化合物的類型/62
5.1.3計量化合物（本征半導體）/63
5.2半導體的能帶理論/64
5.2.1半導體的能帶結構/64
5.2.2施主和受主/65
5.2.3費米能級和脫出功/65
5.3氣體在半導體上的化學吸附/66
5.4半導體的導電性與催化活性/66
5.4.1N2O的分解/67
5.4.2CO的氧化/67
5.5半導體Ef和φ對催化反應選擇性的影響/68
5.6d電子構型、金屬-氧鍵、晶格氧與催化活性/69
5.6.1d電子構型/69
5.6.2金屬-氧鍵/69
5.6.3晶格氧（O2-）/69
5.7金屬硫化物催化劑/70
5.7.1加氫脫硫及其相關過程的作用機理/71
5.7.2重油的催化加氫精制/71
思考題/72

第6章固體酸堿催化劑/73
6.1酸堿的定義和性質測定/73
6.1.1酸堿的定義/73
6.1.2固體酸堿性質的測定/74
6.2固體酸堿性的來源/78
6.2.1負載酸/78
6.2.2氧化物及復合氧化物/78
6.2.3金屬鹽/80
6.2.4固體超強酸/81
6.2.5雜多酸/81
6.2.6離子交換樹脂/82
6.3固體酸堿性與催化作用/83
6.3.1酸中心類型與催化作用的關係/83
6.3.2酸強度與催化作用的關係/84
6.3.3酸濃度與催化活性的關係/84
6.4分子篩催化劑/85
6.4.1分子篩的結構/85
6.4.2分子篩的特性和催化性能/89
6.4.3分子篩的酸性來源/92
思考題/94

第7章均相催化劑/95
7.1液體酸堿催化劑/95
7.1.1酸堿催化反應的特點/95
7.1.2Brnsted酸堿催化劑/96
7.1.3Lewis酸堿催化劑/98
7.1.4有機小分子催化/99
7.2離子催化劑/99
7.2.1中性鹽效應/99
7.2.2離子對催化劑/100
7.2.3金屬離子催化劑/100
7.3絡合催化劑/101
7.3.1絡合催化中的化學鍵合/101
7.3.2絡合催化的關鍵反應步驟/102
7.3.3絡合催化循環/105
7.3.4配位場的影響/108
7.4離子液體催化劑/108
7.4.1離子液體的分類及特點/109
7.4.2離子液體的合成/109
7.4.3離子液體在催化反應中的應用/111
7.5均相催化劑的多相化/112
7.5.1均相催化劑存在的問題/112
7.5.2均相催化劑多相化的方法/113
7.5.3均相催化劑多相化效應/114
思考題/115

第3篇工業催化劑的組成、制備、使用、分析測試和表征
第8章助催化劑與載體/117
8.1助催化劑/117
8.1.1助催化劑的種類/117
8.1.2助催化劑對催化性能的影響/119
8.2載體/121
8.2.1理想載體應具備的條件/121
8.2.2載體的作用/121
8.2.3載體的分類/123
思考題/126

第9章 工業催化劑的制備技術/127
9.1概述/127
9.1.1催化劑制備特點/127
9.1.2催化劑制備技術/128
9.2沉澱法/128
9.2.1沉澱原理/128
9.2.2沉澱法的工藝過程/129
9.2.3沉澱法的分類/130
9.2.4金屬鹽前驅體和沉澱劑的選擇/132
9.2.5影響沉澱形成的因素/133
9.3浸漬法/136
9.3.1載體的選擇/136
9.3.2浸漬液的配制/137
9.3.3活性組分在載體上的分布與控制/137
9.3.4常用浸漬工藝/139
9.3.5浸漬顆粒的熱處理過程/140
9.4混合法/142
9.5離子交換法/143
9.6熔融法/143
9.7其他制備技術/144
9.7.1微乳液技術/144
9.7.2溶膠-凝膠法/145
9.7.3等離子體技術/145
9.7.4微波技術/146
9.7.5超聲波技術/146
9.7.6超臨界技術/147
9.7.7原子層沉積技術/147
9.7.8冷凍幹燥技術/148
9.7.9膜技術/148
9.8催化劑的成型/150
9.8.1成型工藝概述/150
9.8.2成型對催化劑性能的影響/151
9.8.3成型助劑/152
9.8.4幾種重要的成型方法/153
思考題/156

第10章 工業催化劑的使用/157
10.1催化劑的裝填/157
10.1.1催化劑篩分與裝填/157
10.1.2開停車及鈍化/158
10.2催化劑的活化/159
10.2.1還原活化/159
10.2.2硫化活化/160
10.2.3氧化活化/161
10.3催化劑的失活/161
10.3.1中毒/162
10.3.2積炭/163
10.3.3燒結/164
10.3.4活性組分流失/164
10.4催化劑再生與回收利用/164
10.4.1催化劑再生/165
10.4.2催化劑回收利用/166
思考題/167

第11章催化劑性能的評價、測試和表征/168
11.1催化劑的性能評價/168
11.1.1實驗室反應器/168
11.1.2性能評價方法/172
11.2催化劑的宏觀物性測定/174
11.2.1顆粒直徑及粒徑分布/174
11.2.2機械強度測定/175
11.2.3催化劑的抗毒穩定性及其測定/176
11.2.4比表面積測定與孔結構表征/177
11.3催化劑微觀性質的測定和表征/181
11.3.1電子顯微鏡在催化劑研究中的應用/181
11.3.2X射線衍射技術/183
11.3.3熱分析法/185
11.3.4程序升溫分析法/188
11.3.5光譜分析法/191
11.3.6能譜分析法/193
11.3.7核磁共振技術/196
思考題/198

第4篇工業催化劑各論
第12章石油煉制催化劑/200
12.1催化裂化催化劑/200
12.1.1催化裂化的主要反應和反應機理/200
12.1.2催化裂化催化劑的組成及分類/201
12.1.3催化裂化催化劑的制備/202
12.1.4催化裂化催化劑的失活與再生/203
12.2催化加氫催化劑/204
12.2.1催化加氫的主要反應和反應機理/205
12.2.2催化加氫催化劑的分類及組成/208
12.2.3催化加氫催化劑的制備/210
12.2.4催化加氫催化劑的失活與再生/210
12.3催化重整催化劑/211
12.3.1催化重整的主要反應和反應機理/211
12.3.2催化重整催化劑的組成及分類/212
12.3.3催化重整催化劑的制備/213
12.3.4催化重整催化劑的失活與再生/214
12.4其他煉油催化劑/216
12.4.1C5～C6異構化催化劑/216
12.4.2C8芳烴臨氫異構化催化劑/217
12.4.3烷基化催化劑/218
12.4.4烯烴疊合催化劑/218
12.4.5柴油氧化脫硫催化劑/219
思考題/219

第13章基本有機化工催化劑/220
13.1乙烯及其初級衍生物生產用催化劑/220
13.1.1碳二餾分選擇性加氫除炔/220
13.1.2乙烯部分氧化制環氧乙烷/222
13.1.3乙烯和苯合成乙苯/224
13.2丙烯及其初級衍生物生產用催化劑/225
13.2.1碳三餾分選擇性加氫除炔/225
13.2.2異丙醇脫氫制丙酮/226
13.2.3丙烯氧化制丙烯酸/227
13.2.4丙烯氨氧化制丙烯腈/227
13.2.5丙烯羰基合成制丁醇及2-乙基己醇/228
13.2.6丙烯和苯烷基化制異丙苯/229
13.3碳四餾分主要初級衍生物生產用催化劑/230
13.3.1異丁烷脫氫制異丁烯/230
13.3.2正丁烷或苯氧化制順丁烯二酸酐/231
13.3.3異丁烯(叔丁醇)氧化制甲基丙烯酸/232
13.3.4順酐酯化加氫或甲醛乙炔化制1,4-丁二醇/233
13.4輕質芳烴及其初級衍生物生產用催化劑/235
13.4.1乙苯脫氫催化劑/235
13.4.2甲苯歧化與烷基轉移制二甲苯和苯/236
13.4.3二甲苯臨氫異構化/237
13.4.4苯制己內酰胺/238
13.4.5鄰二甲苯氧化制鄰苯二甲酸酐（苯酐）/241
13.4.6對二甲苯氧化制對苯二甲酸/242
13.5甲醇及其初級衍生物生成用催化劑/243
13.5.1CO和H2合成甲醇/243
13.5.2甲醇羰基合成或乙醛氧化制醋酸/245
思考題/247

第14章化肥工業催化劑/248
14.1脫硫催化劑/248
14.1.1烴類加氫脫硫催化劑/248
14.1.2硫黃回收催化劑/250
14.1.3脫硫劑/255
14.1.4COS水解催化劑/256
14.2烴類轉化催化劑/257
14.3CO變換催化劑/258
14.3.1鐵鉻系高溫變換催化劑/259
14.3.2銅鋅系低溫變換催化劑/260
14.3.3CO寬溫(耐硫)變換催化劑/261
14.4甲烷化催化劑/262
14.5合成氨催化劑/263
14.5.1合成氨催化劑研究進展/263
14.5.2合成氨鐵催化劑的制備/265
14.5.3預還原催化劑/265
14.6制硝酸和制硫酸催化劑/265
14.6.1氨氧化制HNO3催化劑/265
14.6.2SO2氧化制H2SO4催化劑/266
思考題/267

第15章碳一化工催化劑/268
15.1甲醇及低碳醇合成催化劑/268
15.1.1甲醇合成催化劑/268
15.1.2低碳混合醇合成催化劑/270
15.2甲醇氧化制甲醛催化劑/272
15.2.1反應機理/272
15.2.2銀催化劑/272
15.2.3鐵-鉬氧化物催化劑/273
15.2.4其他催化劑/274
15.3羰基合成催化劑/274
15.3.1氫甲酰化反應催化劑/275
15.3.2炔烴羰基化催化劑/276
15.3.3烯烴的羰基化催化劑/276
15.3.4甲醇羰基化制醋酸催化劑/276
15.3.5醋酸甲酯羰基化制醋酐催化劑/278
15.3.6氧化羰基化合成碳酸酯催化劑/278
15.3.7硝基化合物的還原羰基化催化劑/278
15.4費-托合成催化劑/279
15.4.1費-托合成催化劑類型/279
15.4.2費-托合成催化劑的制備/280
15.5碳一化工中的催化新工藝/281
15.5.1天然氣的直接轉化/281
15.5.2天然氣間接轉化利用/283
15.5.3膜技術在碳一化工中的應用/286
15.5.4CO2的利用/287
思考題/288

第16章環境保護和綠色化工催化劑/289
16.1空氣污染治理的催化凈化/290
16.1.1動態污染源的凈化處理和三效催化劑/290
16.1.2靜態污染源的催化處理/292
16.2工業廢液的催化凈化/294
16.3大氣層保護與催化/295
16.3.1保護臭氧層的催化/295
16.3.2溫室效應氣體催化減排/296
16.4綠色化學催化/297
16.4.1零排放與綠色化學/297
16.4.2原子經濟、E因子與綠色化工生產/299
16.4.3綠色催化的案例分析/300
16.5光催化/302
16.5.1光催化原理/302
16.5.2環境光催化/303
16.5.3光催化環保功能材料/303
思考題/303

參考文獻/304