音像结构催化剂与反应器路勇,巩金龙,朱吉钦等编著

章 绪论 / 1

节 结构催化剂与反应器（SCRs）的发展历程 1

一、化工过程强化与SCRs 概念的提出 1

二、结构催化剂与反应器和传统催化反应器的比较 5

第二节 结构催化剂与反应器的主要特征及分类 7

一、规则空隙结构催化剂与反应器 8

二、非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 14

三、多级孔结构微纳催化剂与反应器 16

第三节 结构催化剂与反应器的标志工业应用与示范例 17

一、规则空隙结构催化剂与反应器 17

二、非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 20

三、多级孔结构微纳催化剂与反应器 21

第四节 结构催化剂与反应器的机遇与挑战

参考文献 25



篇 规则空隙结构催化剂与反应器 / 29

第二章 规则空隙结构基体及结构催化剂与反应器 / 31

节 规则空隙结构基体32

一、独居石基体 32

二、微通道基体 35

三、有序排列结构基体 36

第二节 独居石结构催化剂与反应器 39

一、独居石催化剂的基本类型及结构特点 39

二、独居石催化剂的基本构型及质 40

三、独居石催化剂的设计 44

四、独居石催化剂的优缺点 51

第三节 微通道催化反应器53

一、微通道催化反应器的结构类型 53

二、催化活组分负载方式 55

第四节 有序排列结构催化剂与反应器 55

一、颗粒排列式催化反应器（particles-arranged catalytic reactors） 56

二、活组分沉积式催化反应器（deposited catalytic reactors） 58

三、烛式催化反应器（candle catalytic reactors） 58

第五节 膜催化反应器 59

参考文献 61



第三章 规则空隙结构催化剂与反应器的传递现象 / 65

节 蜂窝结构催化剂与反应器的气固热/ 质传递 65

一、热量传递的影响因素 66

二、热传导和对流传热 66

三、有效因子及通道几何构型的优选 71

四、气固传质 73

五、压力降 75

第二节 蜂窝结构催化剂与反应器的多相质量传递 76

一、液固质量传递 76

二、气液质量传递 77

三、气固质量传递 78

第三节 蜂窝结构催化剂与反应器的多相流体力学 79

、区 79

二、压力降 83

三、液体滞留量 85

四、停留时间分布 87

五、非理想流动模型 88

第四节 有序排列结构催化剂与反应器的流动与传递 89

一、平行通道催化剂与反应器 89

二、横向流催化剂与反应器 90

三、壁面催化剂与反应器 92

四、列阵式催化剂与反应器 94

第五节 结构催化剂与反应器的流动与传递 94

参考文献 95



第四章 规则空隙结构催化剂与反应器的制造技术 / 99

节 蜂窝陶瓷结构基体的制造 99

一、概述 99

二、挤压成型工艺 100

第二节 金属蜂窝结构基体的制造 105

一、金属蜂窝的结构特征 106

二、金属蜂窝结构基体的设计和制造 108

第三节 炭蜂窝结构基体的制造 112

一、整体炭蜂窝的制备 112

二、炭涂层蜂窝陶瓷制备 114

第四节 蜂窝陶瓷结构催化剂与反应器的制造 116

一、蜂窝陶瓷结构上载体层的沉积 117

二、蜂窝陶瓷载体催化活组分的负载 119

第五节 金属蜂窝结构催化剂与反应器的制造 120

参考文献 122



第五章 规则空隙结构催化剂与反应器的工业催化应用 / 126

节 催化氧化 126

一、乙烷氧化脱氢 126

二、选择氧化 128

三、催化氧化 130

第二节 催化加氢 132

一、炔烃半加氢制烯烃 132

二、烯烃和芳烃选择加氢 133

三、醛/ 酮、酸和酯选择加氢 134

四、杂官能团选择加氢 135

五、催化加氢 135

第三节 合成气转化 137

一、甲烷化：合成天然气 137

二、费-托合成 138

三、甲醇合成及甲醇转化 140

四、反应过程 142

第四节 烃或含氧烃重整制合成气 142

一、甲烷重整 142

二、低碳烷烃重整 143

三、石脑油重整 143

四、醇类重整 144

五、自热重整 145

六、重整 148

第五节 应用 149

一、裂解反应 149

二、水煤气变换反应 150

三、合成氨 150

参考文献 150



第六章 规则空隙结构催化剂与反应器的环境催化应用 / 159

节 机动车尾气净化159

一、概述 159

二、汽油车尾气净化 161

三、柴油车尾气净化 168

第二节 固定源NOx 的脱除 179

一、概述 179

二、氧化钒基脱硝催化剂 179

三、非钒基脱硝催化剂 182

四、脱硝催化剂的结构与反应器设计 184

第三节 VOCs/ 甲烷催化燃烧脱除 186

一、概述 186

二、VOCs 催化燃烧催化剂 187

三、丙烷等的催化燃烧 188

四、含氯VOCs 的催化燃烧 191

五、甲烷催化燃烧催化剂 193

参考文献 198



第二篇 非规则三维（3D）空隙结构催化剂与反应器 / 209

第七章 非规则3D 空隙结构催化剂与反应器 / 211

节 非规则3D 空隙结构基体 212

一、纤维基体 213

二、丝网基体 215

三、编织线基体 216

四、泡沫 217

第二节 机遇与挑战 219

参考文献 220



第八章 非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的传递现象 / 227

节 多孔材料内的流体流动 228

一、多孔材料内流体流动机理 228

二、多孔材料内的流动类型 228

第二节 纤维/ 泡沫（Foam/Fiber）结构催化剂“气-固”反应的渗透能0

一、多孔材料的渗透能方程 0

二、纤维结构催化剂的渗透

三、泡沫结构催化剂的渗透 240

第三节 纤维/ 泡沫结构催化剂“气-固”反应的传热能 242

一、多孔材料强化传热 244

二、纤维结构催化剂的传热能 245

三、铜纤维包结细颗粒Ni 催化剂在甲烷干重整中的传热能 249

四、泡沫结构催化剂的传热能 256

五、泡沫镍结构催化剂在CO 甲烷化中的传热能 261

第四节 纤维/ 泡沫结构催化剂“气-固”反应的传质能 265

一、纤维结构催化剂的传质能 265

二、泡沫结构催化剂的传质能 268

三、泡沫镍结构催化剂在CO 甲烷化中的传质能 270

第五节 纤维/ 泡沫结构催化剂含液相反应的传递现象 273

一、纤维结构催化剂含液相反应的传递现象 273

二、泡沫结构催化剂含液相反应的传递现象 274

参考文献 275



第九章 非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的制备 / 282

节 非规则3D 空隙结构基体的传统涂层催化功能化 283

一、分散载体沉积 283

二、催化活组分负载 286

第二节 非规则3D 空隙结构基体的非涂层催化功能化 287

一、原电池置换沉积法（galvanic deposition，GD） 287

二、湿式刻蚀法 288

三、水蒸气氧化同源衍生法 289

四、水热合成法 290

五、原位生长分子筛法 291

六、原位生长水滑石法 293

七、偶联剂辅法 296

八、原位合成催化活组分法 297

第三节 非规则3D 空隙结构基体包结催化剂/ 吸附剂细颗粒技术 300

参考文献 301



第十章 非规则3D 空隙结构催化剂与反应器的应用 / 307

节 催化氧化 307

一、氧化脱氢 308

二、选择氧化 309

三、甲烷/ VOCs 催化燃烧 311

四、催化氧化 313

第二节 催化加氢 315

一、草酸二甲酯加氢 315

二、CO2 加氢制甲醇 318

三、催化加氢 320

第三节 合成气转化 320

一、甲烷化：合成天然气 320

二、费-托合成 321

三、甲醇合成及甲醇转化 3

四、草酸二甲酯、碳酸二甲酯合成 326

第四节 烃和含氧烃重整制合成气 328

一、甲烷重整 328

二、醇类重整制氢 332

三、重整 334

第五节 应用 334

一、臭氧（O3）分解 334

二、移动制氢与纯化 336

三、空气净化 338

四、电容器 340

五、硝酸-苯硝化反应 341

六、催化精馏 342

参考文献 345



第三篇 多级孔结构微纳催化剂与反应器 / 355

十章 多级孔结构微纳催化剂与反应器及制备 / 357

节 多级孔分子筛催化剂 357

一、多级孔分子筛材料概述 357

二、多级孔分子筛材料的合成与质 358

第二节 多级孔金属氧化物催化剂 364

一、有序介孔过渡金属氧化物 364

二、有序大孔过渡金属氧化物 369

第三节 多级孔碳催化剂376

一、多级孔碳材料概述 376

二、多级孔碳材料的合成方法 376

三、多级孔碳材料的应用研究 381

第四节 展望 382

参考文献 383



第十二章 多级孔结构微纳催化剂与反应器的环境催化应用 / 390

节 空气净化——光催化氧化 390

一、甲烷/VOCs 脱除 390

二、NOx 和SOx 脱除 393

三、CO 氧化 395

四、臭氧（O3）分解 397

五、烟尘氧化 399

第二节 水处理 399

一、有机物降解 400

二、有机染料降解 402

三、金属吸附 405

第三节 自清洁 407

参考文献 411



第十三章 多级孔结构微纳催化剂与反应器的能源储存与转化应用 / 4

节 能源存储 424

一、锂离子电池 424

二、电容器 428

三、储氢 429

第二节 能源转化 432

一、太阳能制化学品 432

二、太阳能存储与发电 434

三、燃料电池 437

参考文献 439



第十四章 多级孔结构微纳催化剂的CO2 转化与利用 / 444

节 CO2 热催化转化 444

一、CO2 加氢制甲醇 444

二、CO2 加氢制烯烃及油品：双功能颗粒“微纳接触”的催化调控效应 446

第二节 CO2 光催化转化：人工光合作用及人造树叶 455

一、“纳-微-宏”多级结构的一体化构筑 456

二、人造树叶 456

参考文献 461



索引 / 463

路勇，男，华东师范大学教授，博士生导师。兼任中国化工学会化工过程强化专业委员会委员、中国稀土学会催化专业委员会委员。1992年于四川大学化学系物理化学专业，获士学。1997年博士于兰州化学物理研究所物理化学专业多相催化方向，获理学博士。1997-2000年在中石化石油化工科学研究院于何鸣元院士指导下从事博士后研究，留院工作受聘高级、任科研组长。2000-2004年分别在新加坡国立大学化工系和美国Auburn（奥本）大学化工系从事博士后研究。2004年8月入现职至今。入职后，紧扣“结构催化剂与反应器”这一国际新兴前沿，同步开展科学研究与应用开发，发展形成了独特的 “3D空隙整装结构非涂层催化功化其C1能源与环境催化应用”新方向。主持包括委重大项目课题和面上项目、科技部“973”和“863”项目课题及上海市科委重大项目10项。承担企业委托开发项目多项。在包括Sci Adv、ACS Catal、J Catal、Appl Catal B、Chem Commun、ChemSusChem、Green Chem、AIChE J等期刊发表100余篇。获授权中国发明专利30余件、美国专利2件。

催化剂是化工技术的核心，绝大多数的化工生产均需采用催化工艺。结构催化剂与反应器（SCRs）技术已被广泛实能显著优化固体催化剂床层的流体力学行为和提高催化剂床层内部的热/质传递能，架起了催化和反应工程协同耦合设计的桥梁，其发展和应用正在开启通向低能耗、高效率的“理想”催化反应器设计之路，必将对涉及能源、化工、环境保护的催化过程以及生产模式产生积极和深远影响。

《结构催化剂与反应器》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。

本书首先概述了结构催化剂与反应器（SCRs）的发展历程，阐释了其核心要义，总结了其分类和结构特征，并结合典型工业应用案例探讨了该技术的发展趋势和面临的机遇与挑战。然后按照规则空隙结构催化剂与反应器、非规则3D 空隙结构催化剂与反应器和多级孔结构微纳催化剂与反应器三篇依序论述了这三大类结构催化剂与反应器的基础理论、构筑策略和实际应用，突出催化剂与反应器设计应结合起来在宏观尺度上整体考虑的研发思路，强调大至一个整装结构催化剂个体、小至一个催化剂颗粒即视为一个反应器的理念。
《结构催化剂与反应器》覆盖全面、论述系统，既有基础理论分析，又联系实际体系，取材翔实。可供石油化工、工业催化、绿色化工、精细化工、新能源开发等科技人员阅读，也可供高等院校化学、化工、材料、环境、源相关专业师生参考。

催化剂是化工技术的核心，绝大多数的化工生产均需采用催化工艺。结构催化剂与反应器（SCRs）技术已被广泛实能显著优化固体催化剂床层的流体力学行为和提高催化剂床层内部的热/质传递能，架起了催化和反应工程协同耦合设计的桥梁，其发展和应用正在开启通向低能耗、率的“理想”催化反应器设计之路，必将对涉及能源、化工、环境保护的催化过程以及生产模式产生积极和深远影响。