ky thuat xuc tac - tiet 1

KỸ THUẬT XÚC TÁC
CATALYST TECHNOLOGY

TS. Nguyễn Mạnh Huấn

1


CHẤT XÚC TÁC

Nó là gì?

trong phản ứng
hóa học

Các thành phần của nó như thế nào?
Nó có tính chất gì?
Nó được chế tạo 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?
Sử dụng lý thuyết nào cho phản ứng này?
Chi phí? Pilot? Sản xuất cơng nghiệp?
2


Vấn đề

Điều chế

Lý thuyết

thực tiễn

Xúc
tác

Đánh giá
xúc tác

Chi phí?
Pilot?
Phản
Ứng

Nhà máy?

Phương pháp
nghiên cứu tĩnh

Phương pháp nghiên cứu
dòng
Thu nhận số liệu

Hiệu quả xúc tác, động học, cơ chế
phản ứng


Mô tả vắn tắt nội dung
học phần

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.

4


Mục tiêu của học phần
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.

5


ĐỀ CƯƠNG + THỜI GIAN
Bài tập
Kiểm tra
giữa kỳ

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10
Vai trị
của xúc
tác
trong
cơng
nghệ
hóa học

Nghiên
cứu
tính
chất
xốp của
xúc tác

Cơ sở
của
q
trình
xúc
tác

Điều
chế
xúc tác

Các
phương
pháp
nghiên
cứu và
đánh giá
xúc tác

Các dạng
lị phản
ứng
trong
phịng thí
nghiệm

Sản xuất
xúc tác
công
nghiệp
6


Tài liệu
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]. Mai hữu Khiêm, Bài giảng Kỹ thuật xúc tác, NXB
ĐHQG TP HCM, 2003

7


Phương pháp đánh giá môn học

Seminar: dịch bài báo

Thi giữa học phần

Thi kết thúc học phần
8


Examples of Reactions w/o
Catalysis

Plants &
animals
decompose
to oil & coal

Millions of years

Oxygen in the
air mixes with
iron to form
rust

1 week to several months
Hydrogen
Peroxide
forms a chemical
reaction with
your body

Seconds


Ways to Make
Chemicals Faster
Temperature
Disadvantage--Too hot!

Add other Chemicals
Disadvantage--Separate chemicals

Pressure
Disadvantage--Cause Explosions

Catalysts!!!!
Disadvantage--Costly


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC

1.1 Lịch sử xúc tác.
• Xúc tác đã được sử dụng từ lâu
• Năm 1836, Berzelius đưa ra từ "xúc tác" lần
đầu tiên.
• Ngày nay, 90% ngành sản xuất cơng nghiệp
thuộc lĩnh vực hoá học phải dùng xúc tác
11


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC
Một số phản ứng xúc
tác

Phản ứng oxi hố khử

Sản phẩm

Loại xúc tác

1.Oxi hoá
SO2 + 1/2O2  SO3

H2SO4

Pt, V2O5, Fe2O3

NH3 + O2  NO

HNO3

Pt, Pd, CoO,..

Amoniac
Methanol

Fe(K2O, Al2O3, SiO2,..)

3.Dehydro hoá
C4H10  H2 + C4H8  C4H6

Butadien

Cr2O3: photphat Ni va Cr2O3

4. Hydrat hoá
CH2=CH2 + H2O  C2H5OH

Rượu ethylic

H3PO4 trên chất mang Al2O3

5. Polyme hoá
nC2H4  [C2H4]n

polyethylen

TiCl4 + AlR3(Ziegler-Naptha)

2.Hydro hoá
N2 + 3H2  2NH3
CO + 2H2  CH3OH

ZnO + Cr2O3 + CuO + K2O

12


(1850) Catalysis

(1875) Electrochemistry, Surface, TD and Instrumentation

( 1850) Tribology

(1925) Adsorption Science and Electron Emission

(1955) Surface Analytical Techniques

(1960) Microporous Solids

Development of Surface
Chemistry and Catalysis
Conceptually
during the last 200 years

(1975) Clusters and monomolecular
films

(1990) Nano & Mesoporous
Materials
Macroscopic level
1980

Molecular level
2000


Hetrogeneous CatalysisMilestones in Evolution-1


1814- Kirchhoff-starch to sugar by acid.



1817-Davy-coal gas(Pt,Pd selective but not Cu,Ag,Au,Fe)



1820s –Faraday H2 + O2 H2O(Pt);C2H4 and S



1836- Berzelius coins”Catalysis”;



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-Sabatier.C2H4+H2  C2H6(Ni).



1905-Ipatieff.Clays for acid catalysed reactions; isomerisation,
alkylation, polymerisation.

Milestones in Evolution-2


1910-20: NH3 synthesis (Haber,Mittasch) ; Langmuir



1920-30-Methanol syn(ZnO-Cr2O3); Taylor;BET



1930-Lang-Hinsh &Eley -Rideal models ;FTsyn;EO;



1930-50:Process Engg; FCC / alkylates;acid-base
catalysis;Reforming and Platforming.



1950-70: Role of diffusion; Zeolites, Shape Selectivity;
Bifunctional cata;oxdn cat-HDS; Syngas and H2 generation.



1970- Surface Science approach to catalysis(Ertl)



1990 - Assisted catalyst design using :

-surface chem of metals/oxides, coordination chemistry
- kinetics,catalytic reaction engg
- novel materials(micro/mesoporous/nano materials)


Dream Reactions Awaiting Catalyst
Development…………
( according to Jens Rostrup-Nielsen)
CH4 + ½ O2 ↔ CH3OH
CH4 + 1/2O2 ↔ CO + 2H2
2CH4 + O2
↔
C2H4 +2 H2O
nCH4
↔
CnH2n+2 + (2n-2) H2
Dimethyl ether ↔ C2H5OH
H2 + O2 ↔ H2O2
2NO
↔
N2 + O2
2N2 + 2H2O+5 O2 ↔ 4HNO3


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC
1.2 Đặc điểm chung của tác dụng xúc tác
1.2.1 Định nghĩa xúc tác: Hiện tương biến đổi tốc độ
phản ứng hoá học hay kích động chúng do những
chất mà cuối cùng vẫn được phục hồi gọi là xúc tác

Chất gây nên sự xúc tác gọi là chất xúc tác
1.2.2 Hoạt độ của xúc tác: được đo băng sự biến đổi
lượng chất đầu tham gia phản ứng trong một đơn vị
thời gian và trên một đơn vị của lượng chất xúc tác
17


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC
1.2.3 Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác:
Nhiệt động học của tác dụng xúc tác: xúc tác chỉ có tác dụng trong
phạm vi nhiệt đơng học cho phép

Ví dụ: xét phản ứng sau
A=B
A+Xt = Axt = B + xt
G = - RT lnKcb: K’cb = k/k’ ( k, k’:
hằng số tốc độ của phản ứng
thuận và nghich)
18


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC

Vấn đề 1: Bản chất tác dụng
tăng tốc độ phản ứng bởi
chất xúc tác là gì?

19

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC

20


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC

21


Activation Energy
Activation Energy : The energy required to overcome the reaction
barrier. Usually given a symbol Ea or ∆G≠
The Activation Energy (Ea) determines how fast a reaction occurs, the higher
Activation barrier, the slower the reaction rate. The lower the Activation
barrier, the faster the reaction

22


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC

23

Activation Energy
Catalyst lowers the activation energy for both forward
and reverse reactions.

24


CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ
CHUNG VỀ XÚC TÁC
Tính chọn lọc của xúc tác: độ chọn lọc của xúc tác là tỉ số tốc độ tạo sản
phẩm so với tổng tốc độ biến đổi trên cơ sở chất tham gia phản ứng
theo các hướng
Ví dụ 1: Phản ứng Fischer Trospch
Ví dụ 2: phản ứng ơxy hố NH3:
4NH3 + 3O2

= 2N2

+ 6H2O

+ 1300 KJ

(a)

4NH3 + 4O2

= 2N2O + 6H2O

+ 1100 KJ

(b)

4NH3 + 5O2

= 2NO

+ 900 KJ

(c)

+ 6H2O

Định nghĩa: Độ lựa chọn của một chất xúc tác theo một hướng nhất định
bằng tốc độ hình thành sản phẩm chính chia cho tổng tốc độ phản ứng
theo tất cả các hướng.

25