第四章气固相催化反应本征动力学.pptVIP

Chemical Reaction Engineering of Hao Taiyuan University of Technology 化学反应工程 非均相反应 气固催化反应过程 气固催化反应过程 在铁催化剂上合成氨的气固催化反应 N2 + 3H2 = 2NH3 400-550℃, 300 atm 在铜铬催化剂上乙醇脱氢制乙醛 C2H5OH ?CH3CHO + H2 250-290℃ 气固催化反应过程 汽车尾气净化催化剂 气固催化反应过程 气固催化反应过程 气固相催化反应本征动力学 本征动力学——就是指在理想条件下化学反应反应速率，即反应速率与反应物系组成、温度、压力等因素之间的关系。但不包括物质、热量传递过程反应速率的影响。 其研究的范畴包括：反应速率与其影响因素的数学函数关系、催化剂的作用机理、反应机理或反应过程。 本章主要讨论固体催化剂、等温吸附、吸附动力学及温度对反应速率的影响。 第一节 固体催化剂 催化剂——能够加速（改变）化学反应速率，而本身的化学组成能够复原的物质。 催化剂的特征： 1. 产生中间产物，改变反应途径，降低反应活化能，加 速反应速率； 2. 不改变反应的平衡状态和反应热效应； 3. 具有选择性。 第一节 固体催化剂 同一反应物使用不同催化剂可得到不同产品； 选择性 如 乙烯→环氧乙烷 (Ag) →乙酸 (Pd) 同一系列催化剂可使不同物系发生催化反应。 功能雷同性 如 甲醇→甲醛 (cat. Ag) 乙醇→乙醛 (cat. Ag) 乙二醇→乙二醛 (cat. Ag) 第一节 固体催化剂 催化反应分为均相催化和多相催化。 化学工业中常用气-固相催化反应，本章重点为气固相催化的本征反应动力学。 工业催化剂的要求——活性、选择性、寿命及稳定性，以及催化剂的成本、资源来源、环境保护（是绿色化学的重要方面）。 气固相催化反应由下列步骤是什么？ 气体反应物分子向催化剂外表面移动（准确地称扩散）； 气体反应物分子向催化剂内表面移动，边移动边反应； 反应物被活性位吸附成为活性吸附态； 吸附态组分在表面活性中心反应，生成吸附态产物； 吸附态产物脱附； 气体产物分子由内表面向催化剂外表面移动， 气体产物分子由外表面向气相主体移动。 （移动都称为扩散） 示意图：一个电影院的入场过程，试问哪个门的阻力最大，是进场的速度的限制部位？ 本证动力学——没有传质影响的反应动力学规律。 试想象一下，你如何提高固体催化剂的表面积？ 把活性物质做成多孔的，如活性炭，粉笔等， 孔空隙越多越好，越细越好 对不能做成多孔的物质，可采用细微颗粒物质； 此时，活性物应粉碎的尽量细； 如何能测试出催化剂的内表面积？ 气体吸附法（BET）测定比表面积。 孔容Vg——每克催化剂内部孔道所占体积。 如何能测试出催化剂的孔容？ 采用置换法测定； 如：液氮-汞置换法，液氮-汞置换体积之差除以催化剂质量为孔容。 真密度ρt：固体本身的密度，被置换的液氮体积可求得； 假密度ρp ：催化剂颗粒的密度，由汞体积可求得； 堆密度ρb ：单位堆积体积的颗粒质量为堆密度或床层密度ρb。 孔隙率εp ： 颗粒催化剂的孔隙率εp ，为颗粒的孔容积与颗粒体积之比. 孔隙的分类： 微孔（1nm）， 中孔（1-25nm）， 大孔（25nm）。 催化剂的使用（催化剂工程学科）： 催化剂的活化； 钝化； 催化剂的再生。 催化剂的失活 中毒； 2. 粉化； 3. 催化剂过热烧结等 ； 4. 水泡等 固体催化剂的构成？ 由活性组分、助催化剂和载体组成。 固体催化剂的如何制备？ 制备方法有浸渍法、沉淀法、共混合法及熔融法。 固体催化剂的发展方向？ 纳米化（纳米技术的广泛应用）；表面分子设计化（分 子组装技术广泛应用）；规整化；高选择性。 第二节 本征动力学 什么是本征动力学？ 就是指：反应本身的速率与其影响因素的关联，该速率值的大小不受物理因素——质量扩散、热量扩散的影响。 具体说：物质扩散以及热量扩散阻力相对很小，不对反应速率起到限制作用，分子的吸附、表面反应、吸附态产物分子脱附阻力相对较大，反应速率主要由这三个步骤（或者其中之一）控制的速率。 第二节 本征动力学 气固相催化反应有以下7个步骤 气体反应物