化学反应工程 教学课件 作者 刘军 主编第五章 非均相反应动力学.pptx

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1、第五章非均相反应动力学化学反应工程气固相催化反应本征动力学5.2气固相催化反应宏观动力学5.3催化剂基础5.1第五章非均相反应动力学气液相反应宏观动力学简介5.45.1催化剂基础12催化过程及特征催化过程及特征34催化剂的制造催化剂的使用56催化剂的失活和再生催化剂的性能5.1.1催化过程及特征在众多的反应过程中，按化工热力学的观点是能够进行的，但由于反应速度极慢，即使进行较长时间的反应，生成的产物量也很少，无法进行工业生产。例如CO的变换反应：CO＋H2O（g）=CO2+H2(5-1)如果反应过程中有活性物质的参与，则该反应的历程变为：这样总反应式可以写成：(5-2)5.1.1催化过程

2、及特征催化反应过程的特征可概括如下：（1)催化剂只改变化学反应的速率，本身在反应前后没有变化。（2）催化剂对化学反应的平衡状态没有影响。（3）对于可逆反应，催化剂在加速正反应的同时，必以相同的倍数来加速逆反应。（4）催化剂对反应过程有良好的选择性。5.1.1催化过程及特征以一氧化碳和氢气为原料，选择不同的催化剂可以制得不同的产品，如图5-1所示。CH3OHCH2OHCH2OHCO+H2Rh络合物Cu、Zn、AlNiCH4Fe、Co烃类混合物Ru固体石蜡图5-1不同催化剂的产物5.1.2固体催化剂的组成（1）活性组分（2）载体（3）助催化剂（促进剂）（4）抑制剂5.1.2固体催化剂的组成表

3、5-1一些常用载体的比表面积种类比表面/（m2/g）种类比表面/（m2/g）活性炭硅胶SiO2-Al2O3(裂化用)活性白土活性Al2O3500～1500200～600200～500150～225150～350硅藻土Al2O3-V2O5Fe(合成氨用)骨架镍CuO，熔融Al2O34～2030～1604～1125～600.0026～0.305.1.3催化剂的制造（1）混合法（2）浸渍法（3）沉淀法（4）共凝胶法（5）喷涂法及滚涂法（6）溶蚀法（7）热熔法5.1.4催化剂的使用（1）催化剂的活化Fe3O4+4H2=4Fe+4H2O（5-3）（2）催化剂的开、停车和钝化（3）催化剂的正常维护表

4、5-2触媒还原温度和孔容及比表面积的关系还原温度℃450500600700孔隙容积ml/g0.10330.10410.12550.1327总表面积m2/g11.512.44.12.05.1.4催化剂的使用图5-2触媒升温还原标准曲线5.1.5催化剂的失活和再生（1）老化（2）结焦（3）催化剂的中毒（4）催化剂的再生tt=0t=t图5-3烧结引起的孔封闭图5-4活性位聚集5.1.6催化剂的性能1.催化剂密度2.催化剂的比表面积3.孔体积、孔隙率及孔体积分布孔隙率是指催化剂颗粒内孔的体积占整个催化剂颗粒体积的分率，用来表示。即：（5-1）孔隙率也可由假密度计算：（5-2）4.吸附5.2气固相

5、催化反应本征动力学12气固相催化反应模型和控制步骤化学吸附速率和吸附模型34表面化学反应反应本征动力学5.2.1气固相催化反应模型和控制步骤①气体分子A的外扩散过程②气体分子A的内扩散过程③反应物分子的吸附④表面化学反应⑤产物分子的脱附⑥产物的内扩散⑦产物分子的外扩散5.2.1气固相催化反应模型和控制步骤图5-5气固相催化反应的步骤5.2.1气固相催化反应模型和控制步骤控制步骤的概念类似于一串联的电路，如果没有内、外扩散的影响，只考虑本征动力学过程，如图：图5-6类似于气固相反应的串联电路5.2.2化学吸附速率和吸附模型1.化学吸附速率一般表达式（5-4）为了反映表面覆盖的程度，引入一覆

6、盖率的概念：（5-3）相应的，有空位率的概念：（5-4）很显然有：5.2.2化学吸附速率和吸附模型和可逆化学反应一样，吸附在催化剂表面的分子会脱附下来：（5-5）因为化学吸附和化学反应有类似的规律，吸附速率方程可写为：（5-5）其中是吸附速率常数，可用阿累尼乌斯方程表示：类似的，脱附速率方程如下：（5-6）（5-7）5.2.2化学吸附速率和吸附模型吸附和脱附过程写在一起即：（5-6）则吸附过程的总速率为：（5-8）当吸附达到平衡状态时，有：吸附平衡常数为：代入上述公式，可得：（5-9）与化学反应类似，为吸附热，上式即为吸附平衡方程。5.2.2化学吸附速率和吸附模型2.兰格缪尔吸附模型首先

7、考虑催化剂表面只吸附一种分子，例如，对于CO在金属M的表面的吸附，可以提出两个模型，一个是CO以分子形式被吸附，即不发生解离(在金属镍上)：（5-7）另一个是以原子形式吸附，即发生解离（在金属铁上）：（5-8）5.2.2化学吸附速率和吸附模型a.不发生解离的单分子吸附由前述知，有：因为，，所以有：（5-10）此式即为兰格缪尔吸附等温式。5.2.2化学吸附速率和吸附模型b.吸附时发生解离（5-9）仿照基元反应的规律，则吸附速率为：（5