化学反应工程-第5章.ppt

第五章催化剂与催化动力学基础 5.1催化剂 1.催化剂的性能要求: 工业催化剂所必备的四个主要条件：活性好.选择性高.寿命长.机械强度高. 活性适中，温度过高，就会造成“飞温”。 2.催化剂的类别： 催化剂一般包括金属（良导体）.金属氧化物.硫化物（半导体）以及盐类或酸性催化剂等几种类型。 活性组分分布在大表面积，多孔的载体上。 载体：活性炭、硅藻土、分子筛等。要有一定的强度。 3.催化剂的制法: 混合法。 浸渍法。 沉淀法或共沉淀法。 共凝胶法。 喷涂法或滚涂法。 溶蚀法。 热溶法。 热解法等。 * * 5.2催化剂的物理特性 5. 2.1.物理吸附和化学吸附 物理吸附——范德华力 化学吸附——化学键力 5.2.2.吸附等温线方程式 吸附和脱附达平衡时，吸附量与压力有一定的关系，这种关系曲线。 (1) langmuir吸附 假定：1）均匀表面。 2）单分子吸附。3）吸附分子间无作用力。 4）吸附机理相同。 覆盖度：固体表面被吸附分子覆盖的分率。 吸附速率 脱附速率 平衡时，则 若 对于离解吸附 多分子吸附： 2.Freundlick型 3.Temkin 2、3属偏离理想吸附。实际吸附原因：表面不均匀、 吸附分子间有相互作用。 4.BET方程 可以利用此式测催化剂的比表面积. 5.2.3.催化剂的物理结构 指比表面积、孔结构。 比表面，按BET法测。 常用N2作吸附质 77.2K吸附 2.孔容与孔径分布。 一次孔 孔容 二次孔 颗粒间空隙 采用氦汞法， 孔径的分布： 大孔 r25nm 中孔 1nmr25nm 微孔 1nm左右 孔径：压汞法，气体吸附法。 3.孔的几何形状： 大多数催化剂的孔道是曲折的，没有规律。 5.3.1. 反应的控制步骤： 1）反应物从气相→催化剂外表面 （外扩散） 2) 反应物→催化剂内孔 （内扩散） 5.3 气—固相催化反应动力学 图5-1: 催化反应过程示意图 3）反应物在催化剂上吸附 （吸附过程） 4）发生反应 （表面反应过程） 5）产物从催化剂表面脱附 （脱附过程） 6）产物从催化剂孔内→孔外 （内扩散） 7) 产物从催化剂孔外→气流中 （外扩散） 哪一步的阻力大，就是速率控步骤。 5.3.2.双曲线型的反应速率式 反应速率一般是以单位催化剂的重量(W)为基准。 1).表面反应控制 以 A + B → R + S 为例。 其基元过场为: +σ B A + B 可利用5个方程求出任意 . 3）脱附控制 5.3.3. 反应速率的实验测定法 1.内、外扩散影响的排除 外扩散可通过在同一温度下改变流量 ，测转化率 二者数据按 作图，两曲线落在同一曲线上则无外扩散。 ① ② 内扩散，改变催化剂的粒度，恒定 响时. 2.实验用反应器 1）固定床积分反应器和微分反应器。 2）催化剂回转反应器。 3) 流动循环（无梯度）式反应器。 4) 脉冲反应器。 5) 流化床反应器。 ,作图,无影 图5-2 催化剂回转式反应器示意图 图5-3 内循环式反应器示意图 5.3.4 催化剂颗粒中的扩散 1. 扩散系数 分子扩散（容积扩散）：孔径较大，扩散阻力来自分子间的碰撞 努森扩散：在微孔中，扩散的阻力主要来自分子与 孔壁的碰撞。 扩散系数D：对于沿Z方向的一维扩散，扩散通量N(kg mol/s )与浓度梯度成正比，该比例常数为扩散系数。 a . b.努森扩散系数 c.当分子扩散与努森扩散同时存在时,用综合扩散系数 D 对于等分子反应: A→B 孔径颇大时 孔径甚小时 有效扩散系数 2. 等温催化剂的有效系数 做物料衡算。 对 的球形催化剂颗粒 对半径为 。 指外表面状态下的情况 式中 应速率 外表面上的相等时的