KỸ THUẬT XÚC TÁC CATALYST TECHNOLOGY

1
KỸ THUẬT XÚC TÁC
CATALYST TECHNOLOGY
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
2
CHẤT XÚC TÁC
trong phản ứng
hóa học
Nó có tính chất gì?
Nó được chế tạo như thế nào?
Nó là gì?
Các thành phần của nó như thế nào?
Kiểm tra tính chất hóa học và vật lý của nó bằng các
phương pháp gì?
Kiểm tra hoạt tính như thế nào?
Chi phí? Pilot? Sản xuất công nghiệp?
Sử dụng lý thuyết nào cho phản ứng này?
Xúc
tác
Phản
Ứng
Điều chế
Đánh giá
xúc tác
Phương pháp
nghiên cứu tĩnh
Phương pháp nghiên cứu
dòng
Thu nhận số liệu
Hiệu quả xúc tác, động học, cơ chế
phản ứng

Lý thuyết
Vấn đề
thực tiễn
Chi phí?
Pilot?
Nhà máy?
Mô tả vắn tắt nội dung học phần
4
Học phần này bao gồm:

Lý thuyết cơ bản về chất xúc tác và quá trình
xúc tác

Xúc tác công nghiệp, các giai đoạn sản xuất xúc
tác trong công nghiệp

Các phương pháp hiện đại đánh giá xúc tác.
Mục tiêu của học phần
5
Sau khi hoàn tất học phần sinh viên có khả năng:
-
Nắm vững kiến thức cơ bản về kỹ thuật xúc tác.
-
Làm cơ sở nền tảng học tiếp các môn chuyên ngành.
6
Vai trò
của xúc
tác
trong
công

nghệ
hóa học
ĐỀ CƯƠNG + THỜI GIAN
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12
Cơ sở
của
quá
trình
xúc
tác dị
thể
Xúc tác
trong
môi
trường
Điều
chế
xúc
tác
Sản xuất
xúc tác
công
nghiệp
Các
phương
pháp
nghiên
cứu và
đánh giá
xúc tác

Kiểm tra
giữa kỳ
Bài tập / thường kỳ
Xúc tác
đồng
thể
Thi cuối
kỳ
Tài liệu
7
Sách tham khảo

[1]. Charles N. Satterfields, Heterogeneous Catalysis in
Industrial Practice, McGraw-Hill, Inc., 1991.

[2]. Mukhlenov I.P., Dobkina E.I., Catalyst technology,
Mir publishers, M. 1976.

[3].H.Scott. Forgler, Elements of chemical reaction
engineering, new Delhi, 2004.

[4]. Mai hữu Khiêm, Bài giảng Kỹ thuật xúc tác, NXB
ĐHQG TP HCM, 2003
8
Phương pháp đánh giá môn học
Thường kỳ / tiểu luận: kiểm tra
Thi giữa học phần: trắc nghiệm
Thi kết thúc học phần: trắc nghiệm
MỞ ĐẦU
Oxi Hóa

Các phản
ứng sinh hóa
Vài tuần/tháng
Động thực
vật phân
hủy
Hàng triệu năm
Vài giây
Một số quá trình
không cần xúc tác
MỞ ĐẦU
Thêm hóa chất khác
Xúc tác!!!!
Nhược điểm - Nóng!
Nhược điểm – Phân tách Nhược điểm – Giá
Áp suất
Nhược điểm – Nổ
Nhiệt độ
Những cách
làm tăng
vận tốc
phản ứng
11
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CHUNG VỀ
XÚC TÁC
1.1 History
12
Phản ứng oxi hoá khử Sản phẩm Loại xúc tác
1.Oxi hoá
SO2 + 1/2O2  SO3

NH3 + O2  NO
2.Hydro hoá
N2 + 3H2  2NH3
CO + 2H2  CH3OH
3.Dehydro hoá
C4H10  H2 + C4H8  C4H6
4. Hydrat hoá
CH2=CH2 + H2O  C2H5OH
5. Polyme hoá
nC2H4  [C2H4]n
H2SO4
HNO3
Amoniac
Methanol
Butadien
Rượu ethylic
polyethylen
Pt, V2O5, Fe2O3
Pt, Pd, CoO,
Fe(K2O, Al2O3, SiO2, )
ZnO + Cr2O3 + CuO + K2O
Cr2O3: photphat Ni va Cr2O3
H3PO4 trên chất mang Al2O3
TiCl4 + AlR3(Ziegler-Naptha)
1.2. Các giai đoạn phát triển
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC
Nhiệm vụ chính của xúc tác
(1836) Xúc tác
(1875) Điện hóa, Bề mặt, TD và thiết bị

( 1850) Ma sát học
(1925) Khoa học về hấp phụ và phát xạ nguyên tử
(1955) Kỹ thuật phân tích bề mặt
(1960) Microporous
(1975) Clusters và màng phân tử
(1990) Nano & Mesoporous
Molecular level
1980
Lịch sử hơn 150 năm
của xúc tác
2000
Macroscopic level
Các mốc thời gian

1814- Kirchhoff – tinh bột thành đường bởi acid.

1817-Davy – Khí than đá (Pt,Pd )

1820s –Faraday H2 + O2 ⇒H2O (Pt);C2H4 và S

1836- Berzelius đưa ra thuật ngữ ”Catalysis –sự xúc tác”;

1860-Deacon’s Process ; 2HCl+0.5O2 ⇒ H2O + Cl2;

1875-Messel . SO2 ⇒ SO3 (Pt);

1880-Mond . CH4+H2O ⇒ CO+3H2(Ni);

1902-Ostwald- 2NH3+2.5O2 ⇒2NO+3H2O(Pt);


1902-Sabatie r. C2H4+H2 ⇒ C2H6(Ni).

1905-Ipatieff. Đất sét là xúc tác acid cho phản ứng; isomerisation, alkylation,
polymerisation.
1910 - 20: Tổng hợp NH3 (Haber,Mittasch) ; Langmuir
1920 - 30: Tổng hợp Methanol (ZnO-Cr2O3); Taylor;BET
1930: Mô hình Lang-Hinsh &Eley -Rideal models ; Tổng hợp FT; EO;
1930-50: FCC / alkylates; xúc tác acid-base; Reforming và Platforming.
1950-70: Định luật về khuếch tán; Zeolites, chọn lọc hình dạng; xúc tác hai chức năng
Bifunctional; HDS; Khí tổng hợp và H2.
1970- Khoa học bề mặt
1990 – Thiết kế xúc tác:
- Hóa học bề mặt kim loại/oxides, hóa học phối trí
- Động học, kỹ thuật phản ứng xúc tác
- Vật liệu mới (micro/mesoporous/nano)
Các mốc thời gian
Xúc tác công nghiệp thế hệ 1: 1900- 1920
Quá trình xúc tác
1900s:
- CO + 3H2 ⇒ CH4 + H2O Ni
- Dầu thực vật + H2 ⇒ Bơ Ni
1910s:
- Hóa lỏng than đá Ni
- N2 +3 H2 ⇒ 2NH3 Fe/K
- NH3 ⇒NO ⇒NO2 ⇒HNO3 Pt
1920s:
- CO +2 H2 ⇒ CH3OH (áp suất cao) (ZnCr)oxide
- Fischer-Tropsch synthesis Co,Fe
- SO2 ⇒ SO3 ⇒H2SO4 V2O5
Xúc tác công nghiệp thế hệ 2: 1930 - 1940

1930s:
Cracking xúc tác (tầng cố định) đất sét
C2H4 ⇒ C2H4O Ag
C6H6 ⇒ Maleic anhydride V2O5
1940s:
Cracking xúc tác (tầng sôi) SiAl vô dịnh hình
alkylation (xăng) HF/acid – đất sét
Platforming (xăng) Pt/Al2O3
C6H6 ⇒C6H12 Ni
Xúc tác công nghiệp thế hệ 3: 1950
C2H4 ⇒ Polyethylene(Z-N) Ti
C2H4 ⇒ Polyethylene(Phillips) Cr-SiO2
Polyprop & Polybutadiene(Z-N) Ti
Steam reforming Ni-K- Al2O3
HDS, HDT of naphtha (Co-Mo)/Al2O3
C10H8 ⇒ Phthalic anhydride (V,Mo)oxide
C6H6 ⇒ C6H12 (Ni)
C6H11OH ⇒C6H10O (Cu)
C7H8+ H2 ⇒C6H6 +CH4 (Ni-SiAl)
Xúc tác công nghiệp thế hệ 4: 1960
Butene ⇒ Maleic anhydride (V,P) oxides
C3H6 ⇒ acrolein (BiMo)oxides
C3H6 ⇒ acrylonitrile(ammox) -do-
Bimetallic reforming PtRe/Al2O3
Metathesis (2C3 ⇒C2+C4) (W,Mo,Re)oxides
Catalytic cracking Zeolites
C2H4 ⇒ vinyl acetate Pd/Cu
C2H4 ⇒ vinyl chloride CuCl2
O-Xylene ⇒ Phthalic anhydride V2O5/TiO2
Hydrocracking Ni-W/Al2O3

CO+H2O ⇒ H2+CO2 (HTS) Fe2O3/Cr2O3/MgO
do (LTS) CuO-ZnO- Al2O3
Xúc tác công nghiệp thế hệ 5: 1970
Xylene Isom (p-xylene) H-ZSM-5
Methanol (press thấp) Cu-Zn/Al2O3
Toluene thành benzene và xylenes H-ZSM-5
Xúc tác loại sáp H-ZSM-5
Xúc tác xử lý khí thải Pt-Pd-Rh trên oxide
Hydroisomerisation Pt-zeolite
SCR của NO(NH3) V/ Ti
MTBE nhựa trao đổi ion acidic
C7H8+C9H12 ⇒C6H6 +C8H10 Pt-Mordenite
Xúc tác công nghiệp thế hệ 6: 1980
Ethyl benzene H-ZSM-5
Methanol thành gasoline (MTG) H-ZSM-5
Vinyl acetate Pd
Oxdn t-butanol thành MMA Mo oxides
Phát triển than lỏng NiCo sulfides
Khí tổng hợp thành diesel Co
HDW của kerosene/diesel.GO/VGO Pt/Zeolite
Chưng cất xúc tác MTBE ion exchange resin
Cyclar Ga-ZSM-5
Oxi hóa methacrolein Mo-V-P heteropolyacid
N-C6 thành benzene Pt-L zeolite
Xúc tác công nghiệp thế hệ 7: 1990
DMC từ acetone Cu chloride
Tổng hợp NH3 Ru/C
Phenol thành HQ và catechol TS-1
Isom butene-1(MTBE) H-Ferrierite
Ammoximation cyclohexanone TS-1

Isom oxime thành caprolactam TS-1
HDS sâu Co-Mo-Al
polymer hóa Olefin metallocene / chất mang
Ethane thành acetic acid đa oxide
Xúc tác Fuel cell Rh, Pt, ceria-zirconia
Cr – tự do HT WGS Fe,Cu- based
Xúc tác công nghiệp thế hệ 8: 2000 +

Xúc tác rắn cho biodiesel acid rắn

Xúc tác cho carbon nanotubes Fe (Ni)-Mo-SiO2
Thách thức hiện nay

Oxi hóa HC mạch dài thành alcohols/ald/acids;

CH4 ⇒ CH3OH.

Hoạt hóa & sử dụng CO2
CO2 + H2O/ CH3OH/C2H5OH ⇒ C2 +

Xúc tác chiral với sự đối xứng (ee-enantiomeric excess) cao.

Sản xuất H2 từ H2O không sử dung HC.

Xúc tác quang hóa với ánh sáng mặt trời.