《化学反应工程》课程教学资源(随堂PPT课件)第8章 气固相催化反应动力学

Chemical Reaction Engineering 第八章气固相催化反应动力学
Chemical Reaction Engineering 第八章 气固相催化反应动力学

Chemical Reaction Engineering 反应动力学 均相动力学 气液相 反应动力学 气固相 (按相态) 非均相动力学 气液固三相 宏观动力学:获得特定反应条件范围内的反应速率,是反应 器设计和优化直接有效的工具。(反应工程所关注的) 口微观动力学:在分子水平上描述化学反应包含的所有基元步 ,是研究反应机理以及催化剂设计和优化的有力工具。(物理 化学所研究的)
Chemical Reaction Engineering (按相态) 反应动力学 均相动力学 非均相动力学 气液相 气固相 气液固三相 . 宏观动力学:获得特定反应条件范围内的反应速率,是反应 器设计和优化直接有效的工具。(反应工程所关注的) 微观动力学:在分子水平上描述化学反应包含的所有基元步 ,是研究反应机理以及催化剂设计和优化的有力工具。(物理 化学所研究的) 反应动力学

Chemical Reaction Engineering 8.1气固相催化反应本征动力学 一、气固相催化反应与热质传递 气固相催化反应是指气体在固体催化剂上进行的催化反应 三个步骤: (1)反应物从气流主体扩散到催化剂表面; (2)反应物在催化剂表面上进行表面反应过程: (3)产物从催化剂表面扩散返回气流主体 内扩散 传质过程 浓度梯度 外扩散 放热反应 传热过程 →温度梯度 吸热反应」
Chemical Reaction Engineering 8.1 气固相催化反应本征动力学 气固相催化反应是指气体在固体催化剂上进行的催化反应 三个步骤: (1)反应物从气流主体扩散到催化剂表面; (2)反应物在催化剂表面上进行表面反应过程; (3)产物从催化剂表面扩散返回气流主体 传质过程 内扩散 外扩散 浓度梯度 传热过程 放热反应 吸热反应 温度梯度 一、气固相催化反应与热质传递

Chemical Reaction Engineering 二、 气固相催化反应的基本特征 (1)催化剂的存在改变了反应途径 A+B→[AB]→C ↓ A+B+2K→[AK灯+[BK灯→[CK]+[K灯→C+2K (2)催化剂只能改变达到平衡的时间,不能改变反 应物系最终能达到的平衡状态 平衡常数K决定于标准自由能变化△G 催化剂的存在与否不影响△G的大小 (3)催化剂具有选择性,催化剂的突出优点
Chemical Reaction Engineering (1)催化剂的存在改变了反应途径 (2)催化剂只能改变达到平衡的时间,不能改变反 应物系最终能达到的平衡状态 (3)催化剂具有选择性,催化剂的突出优点 A+B+2K → [AK]+[BK] → [CK]+[K] → C+2K A+B → [AB] → C 平衡常数 K 决定于标准自由能变化 ΔG0 催化剂的存在与否不影响ΔG0的大小 二、气固相催化反应的基本特征

Chemical Reaction Engineering 三、化学吸附的速率与平衡 物理吸附 化学吸附 吸附剂 所有固体 某些固体 吸附物 低于临界温度的气体 某些化学上起反应的固体 温度范围 通常低于沸点温度 可远高于沸点温度 活化能 低,吸附时40kJ1mol,对非 活化的化学吸附,此值较低。 吸附热 8~25kJ/m01,很少超过冷凝 通常>80kJ/mol 热 覆盖度 多层吸附 单层吸附或不满一层 选择性 无,可在全部表面上吸附 有,只有表面上一部分发生吸 附 可逆性 可逆 常为不可逆 应用 测定固体表面积及孔径大小: 测定表面浓度、吸附和解吸速 分离或净化气体和液体 率;估计活性中心的面积;催 化反应 化学吸附在催化反应过程中起主要作用
Chemical Reaction Engineering 三、化学吸附的速率与平衡 化学吸附在催化反应过程中起主要作用

Chemical Reaction Engineering 吸附模型分为理想吸附模型和真实吸附模型 理想吸附模型,又称朗格缪尔(Langmuir)吸附模型 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)被吸附物仅形成单分子层吸附; (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)所有吸附的机理是相同的
Chemical Reaction Engineering 吸附模型分为理想吸附模型和真实吸附模型 理想吸附模型,又称朗格缪尔(Langmuir)吸附模型 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) 被吸附物仅形成单分子层吸附; (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) 所有吸附的机理是相同的

Chemical Reaction Engineering A+O≥AO 吸附速率: ra=k.p4(1-84) 脱附速率: Ta =ka0 净吸附速率:r=。-1a=k.P4(1-日4)-k8。 吸附达到平衡:k。p41-64)=k,0。 ka卫a 朗格缪尔吸附等温式 推得: 1+KaPa 。 Ka=ka 吸附平衡常数
Chemical Reaction Engineering 吸附速率: 脱附速率: 净吸附速率: 吸附达到平衡: 推得: —— 朗格缪尔吸附等温式 —— 吸附平衡常数 A A +

Chemical Reaction Engineering 真实吸附模型: 口不满足理想吸附条件的吸附: 口固体表面是不均匀的,各吸附中心的能量不等,有强 有弱 A、焦姆金吸附模型: 口吸附与解吸活化能随覆盖率的增加而线性降低 0,=1I(Kop2) B、弗隆德里希吸附模型: 口吸附与解吸活化能与覆盖率呈对数指数关系 0=Kp
Chemical Reaction Engineering 真实吸附模型: 不满足理想吸附条件的吸附; 固体表面是不均匀的,各吸附中心的能量不等,有强 有弱 A、焦姆金吸附模型: 吸附与解吸活化能随覆盖率的增加而线性降低 B、弗隆德里希吸附模型: 吸附与解吸活化能与覆盖率呈对数指数关系

Chemical Reaction Engineering 8.1.4气固相催化反应动力学表达式 动力学方程式推导的步骤: (1)假定反应机理,即确定反应所经历的步骤; (2)决定速率控制步骤,该步骤的速率即为反应过程的速率; (3)由非速率控制步骤达到平衡,列出吸附等温式;如为化 学平衡,则列出化学平衡式: (4)将上列平衡关系得到的等式,代入控制步骤速率式,并 用气相组分的浓度或分压表示,即得到动力学表达式
Chemical Reaction Engineering 动力学方程式推导的步骤: (1) 假定反应机理,即确定反应所经历的步骤; (2) 决定速率控制步骤,该步骤的速率即为反应过程的速率; (3) 由非速率控制步骤达到平衡,列出吸附等温式;如为化 学平衡,则列出化学平衡式; (4) 将上列平衡关系得到的等式,代入控制步骤速率式,并 用气相组分的浓度或分压表示,即得到动力学表达式 8.1.4 气固相催化反应动力学表达式

Chemical Reaction Engineering ◇ 双曲线型的动力学模型推导 例81在Ni催化剂上的混合异辛烯加氢生成异辛烷反应 H2+C8H16 ≥C8H18 (A) (B) (R) 假定反应机理是分子态吸附的氢和吸附的异辛烯反应,按均匀表面吸附模型对不同控制步骤导 出相应的动力学方程式。 该反应的反应机理由下列四个步骤组成: A十≥AG TA kaapaOy-kaa0 TB =kaBPBOy-kaneB B十G≥BG r=ks0 08-k-s0R0r AG十BG≥RG十O TR =kaROR-kaRPROy Ro≥R十o 0,=1-64-0g-0R
Chemical Reaction Engineering 双曲线型的动力学模型推导
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