化学反应过程与设备(杨西平)模块.pptVIP

化学反应过程是化工生产的核心 化工反应原理与设备与相邻学科的关系 化工反应原理与设备的研究方法 停留时间分布密度函数E (t) 阶跃法－ 等温球形催化剂上进行一级不可逆反应为例 对反应组分A作物料衡算： 等温一级反应： 固体催化剂的基本特性 催化剂的使用 1 运输、贮藏与填装 2 催化剂的活化 4 催化剂失活与再生 3 开停车及钝化 A B ⑴ ⑹ ⑵ ⑺ ⑶ ⑷ ⑸ cAG cAS 气固相催化反应的过程 催化反应过程 气固相催化反应的过程 催化反应过程 反应组分从流体主体向催化剂外表面传递 反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递 反应组分在催化剂表面的活性中心吸附 反应组分在催化剂表面上反应 反应组分在催化剂表面脱附 反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递 反应产物从催化剂外表面向流体主体传递 距离 0 cA cAG cAS cAC RP 气固相催化反应的过程 反应物的浓度分布 气固相催化反应的过程 反应过程的控制步骤 控制步骤 外扩散作控制步骤 内扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于外扩散的速率。浓度变化为CAGCAS≈CAC≈CAe 内扩散作控制步骤 外扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于内扩散的速率。浓度变化为CAG ≈ CAS AC≈CAe 表面反应作控制步骤 传质过程的阻力很小可以忽略。反应过程的速率取决于表面反应过程。浓度变化为CAG ≈ CAS≈CAC Ae 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 气固相催化反应的本征动力学是指表面反应做控制步骤时的动力学。表面反应过程是由反应组分在催化剂表面的活性中心吸附、吸附的物质在催化剂表面上进行化学反应、反应产物在催化剂表面上脱附三步组成的。因此，气固相催化反应的本征动力学存在三种情况： 吸附做控制步骤的动力学 化学反应做控制步骤的动力学 脱附做控制步骤的动力学 用于测定活化中心的面积及阐明反应动力学规律 用于测定表面积、微孔尺寸 重要性 常不可逆 高度可逆 可逆性 单分子层 多分子层 覆盖情况 非活化的，低活化能；活化的，高活化能。40kJ/mol 很快，活化能低 4kJ/mol 吸附速率和活化能 温度较高，远高于沸点 温度较低，接近沸点 温度范围 只吸附某些起化学变化的气体 临界温度以下的所有气体 吸附的选择性 某些固体物质 所有的固体物质 吸附剂 化学吸附 物理吸附 化学吸附和物理吸附 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 理想吸附等温方程（langmuir) 基本假设： 1、催化剂表面各处的吸附能力是均匀的， 各吸附位具有相同的能量； 2、每个吸附中心只能吸附一个分子（单分 子层吸附）； 3、吸附的分子间不发生相互作用，也不影 响分子的吸附作用； 4、吸附活化能与脱附活化能与表面吸附程 度无关。 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 理想吸附等温方程（langmuir) 吸附速率 脱附速率 覆盖率 空位率 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 理想吸附等温方程（langmuir) 净速率: 吸附速率与脱附速率之差 平衡时:即吸附速率与脱附速率相等 其中： 平衡时: 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 理想吸附等温方程（langmuir) 若组分A在吸附过程时发生解离如：N2=2N 若吸附过程不仅吸附A，同时还吸附B 气固相催化反应本征动力学 理想吸附等温方程（langmuir) 吸附等温方程 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 理想吸附等温方程（langmuir) 若有n个不同的分子同时被吸附，则i组分的吸附方程为： 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 真实吸附等温方程 1、焦姆金吸附模型: 吸附分子间有影响;吸附热随覆盖度的增加而减小 吸附热 气固相催化反应本征动力学 吸附等温方程 真实吸附等温方程 2、Freundlich吸附模型： 吸附和脱附活化能及吸附热随覆盖率发生变化 吸附热 推导得吸附方程式为 气固相催化反应本征动力学 双曲线型本征动力学 表面反应过程是由吸附－反应－脱附三步串联进行的。因此，本征动力学方程的推导方法可按如下步骤进行： 1、先假设反应机理，确定反应所经历的步骤； 2、在吸附－反应－脱附三个步骤中必然存在一控 制步骤； 3、本征反应速率即为该控制步骤的速率，其余各 步则认为达到平衡。 4、利用各平衡式和将速率方程中的表面浓度变换 成气相组分分压，得到用气相组分分压表示的动力学方程式。 气固相催化反应本征动力学 双曲线型本征动力学 某一化学反应: A?R A的吸附过程: A+