《化学反应工程》课程教学资源(作业习题)第2章 习题

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型例2一1若某铁催化剂上氨合成反应速率由氨脱附所控制,并设表面吸附态有氨及氮,试推导均匀表面吸附动力学方程和化学反应控制动力学方程。1.5H, +0.5N, ← NH第1页
第1页 1 3 例2-1 若某铁催化剂上氨合成反应速率由氨脱 附所控制,并设表面吸附态有氨及氮,试 推导均匀表面吸附动力学方程和化学反应 控制动力学方程。 2 2 3 1.5H 0.5N NH 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型解:过程由氨脱附所控制,则:1->HINH, = raNH, - TaNH;=k,ONH; -kaPNH3i=1设能与α,构成吸附平衡的N,组分的分压值为pN2'则由平衡近似假定可知:NzPN,达到吸附平衡1于是:1-20,=1+bm,+bNH,Pi=1NH第2页
第2页 1 3 解:过程由氨脱附所控制,则: 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 3 NH3 2 NH dNH aNH d NH a NH 1 N 2 N N N 2 1 N N NH N 1 1 i i i i r r r k k p p p b p b p = 1- 设能与 构成吸附平衡的 组分的分压值为 , 则由平衡近似假定可知: 达到吸附平衡 于是:1- + + 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型6NHNH9eN,= I+bN,PN,+ bNH,PNHs由题 0.5N,+1.5H,NH,由表面反应的化学平衡,有:PNH3因此有:=K,,0.51.5PN, PH2Pnt, = K,peg pl将pNH,代入和QNH,再代入速率表达式后得:k(K,pN) pl-PNH,INH31+by Ppe +bn, pe p第3页
第3页 1 3 3 2 2 3 2 2 3 3 2 2 3 3 2 2 3 2 2 2 2 3 NH 0.5 1.5 N H 0.5 1.5 NH N H NH 0 NH 0.5 1.5 N H NH NH 0.5 1.5 N N NH N H 0.5N +1.5H NH 1 p p p p p K p p p K p p p k K p p p r b p b K p p 由题 由表面反应的化学平衡,有: ,因此有: 将 代入 和 ,再代入速率表达式后得: - = + + 3 NH3 3 2 2 3 NH3 NH NH N N NH 1 b p b p b p + + 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型例2一2在某催化剂表面发生如下可逆反应:A=B+S反应机理为:A+c=AoAo=Bc+SBo=B+ C试分别推导出1、2、3各为控制步骤时的均匀吸附动力学方程第4页
第4页 1 3 例2-2 在某催化剂表面发生如下可逆反应: A=B+S 反应机理为: A+σ=Aσ Aσ=Bσ+S Bσ=B+ σ 试分别推导出1、2、3各为控制步骤时的均匀吸 附动力学方程 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型解:1)当1为控制步骤时:ra=kapa(1-Ze.)-k,0S不被吸附,分母中没有k,pa-kabapArA=1+bapA +bePp表面反应达到平衡:PBPsPBPsPAKKpPPB=PB第5页
第5页 1 3 解: 1)当1为控制步骤时: S不被吸附,分母中没有 * B S B S A p p * p p p p p K K A a A 1 i d A r k p k * a A A A A * A A B B 1 d * k p k b p r b p b p 表面反应达到平衡: * B B p p 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2.2化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型k,baPBPsk.PAKpK,k.pa-k.baPPsAAbAPBPs+bBPBK,+bAPBPs+K,bBPBKn2)当2为控制步骤时:自己完成3)当3为控制步骤时:第6页
第6页 1 3 A A 1 d A B S a p A B S B B p k b p p k p K r b p p b p K A A p a d A B S p A B S p B B K k p k b p p r K b p p K b p 2)当2为控制步骤时: 3)当3为控制步骤时: 自己完成 2.2 化学吸附与气固相催化反应本征动力学模型

2. 3气一固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散例题2一1在0.1013MPa及30℃下,二氧化碳气体向某催化剂中的氢气扩散,该催化剂孔容及比表面分别为0.36cm3/g及150m2/g,颗粒密度为1.4g/cm3.试估算有效扩散系数。该催化剂的曲折因子为3.9。已知:在标准状况下,二氧化碳分子的平均自由程为3.8mmra =2V./Sgg第7页
第7页 1 3 2.3 气-固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 例题2-1 在0.1013MPa及30℃下,二氧化碳 气体向某催化剂中的氢气扩散,该催化剂孔 容及比表面分别为0.36cm3/g及150m2/g,颗粒 密度为1.4g/cm3 .试估算有效扩散系数。该催 化剂的曲折因子为3.9。 a 2 / g g r V S 已知:在标准状况下,二氧化碳分子的平均自由程 为3.8mm

2. 3气一固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散解: V。=0.36cm2 / g,Sg=150m2 / g,P,=1.4g/cm2 ×0.36×10-6= 4.8×10-9mra=2V./S. :gg150(满足入/2ra≥10),故可认为在孔中ra《a进行的是努森扩散,由式(2一46),则有第8页
第8页 1 3 2.3 气-固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 解: 3 2 3 0.36 / , 150 / , 1.4 / Vg g p cm g S m g g cm 6 2 0 9 .36 10 2 / 4.8 10 m 150 a g g r V S r《a (满足λ/2ra≥10),故可认为在孔中 进行的是努森扩散,由式(2-46),则有

2. 3气一固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散Dk=9700r,T / M273 +30= 9700×4.8×10-=0.001222cm2/ s44由式(2-1),可求出孔隙率: = p,Vg = 1.4×0.36 = 0.50400.504DDx0.001222=0.0001579cm/ sefAe83.9第9页
第9页 1 3 2.3 气-固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 9 2 9700 / 273 30 9700 4.8 10 0.001222 / 44 DK ar T M cm s 1.4 0.36 0.504 pVg 0 2 .504 0.001222 0.0001579 / 3.9 Def DAe cm s 由式(2-1),可求出孔隙率:

小结如果一氧化碳与水蒸气在铁催化剂上的气-固相催化反应符合下列机理(1)CO+()(CO)(2)(CO)+H,O-H,+(CO,)(3)(CO,)CO2+()试分别推导式(1)、式(2)、式(3)控制时的均勾吸附动力学方程。第10页
第10页 1 3 小 结
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