气固相反应实例 ppt课件
合集下载
五气固相催化反应本征动力学PPT课件
方法是：1）适度加热驱除易除去的外来杂质； 2）小心燃烧除去顽固杂质； 3）用氢气、硫化氢、一氧化碳或氯化烃作为活化剂
化学工程与工艺教研室
weigang
5.1.3 非均相催化反应过程
一、气固相催化反应过程步骤：
1
1、反应组分A从流体主 A 体向催化剂外表面传递；
A 2
AAR 34
A 5
R
2、反应组分A从催化剂 外表面向催化剂内表面 传递；
67 R
图5-1 气固相催化反应过程
3、反应组分A在催化剂表面的活性中心吸附 ； 4、反应组分A在催化剂表面上反应,A→R ； 5、反应产物R从催化剂表面解吸；
化学反应工程
化学工程及工艺教研室
第五章 气固相催化反应本征动力学
Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology
5 气固相催化反应本征动力学
5.1 气固相催化过程 5.2 固体催化剂 5.3 气固相催化反应本征动力学 5.4 本征动力学方程的实验测定
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
（2） 催化剂
不会改变
反应物质最终 所能达到的平衡状态
对于催化或非 催化反应都有：
G 0
RT ln K
催化剂并不改 变化学平衡
（3）对于任何一个可逆反应
化学工程与工艺教研室
weigang
5.1.3 非均相催化反应过程
一、气固相催化反应过程步骤：
1
1、反应组分A从流体主 A 体向催化剂外表面传递；
A 2
AAR 34
A 5
R
2、反应组分A从催化剂 外表面向催化剂内表面 传递；
67 R
图5-1 气固相催化反应过程
3、反应组分A在催化剂表面的活性中心吸附 ； 4、反应组分A在催化剂表面上反应,A→R ； 5、反应产物R从催化剂表面解吸；
化学反应工程
化学工程及工艺教研室
第五章 气固相催化反应本征动力学
Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology
5 气固相催化反应本征动力学
5.1 气固相催化过程 5.2 固体催化剂 5.3 气固相催化反应本征动力学 5.4 本征动力学方程的实验测定
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
（2） 催化剂
不会改变
反应物质最终 所能达到的平衡状态
对于催化或非 催化反应都有：
G 0
RT ln K
催化剂并不改 变化学平衡
（3）对于任何一个可逆反应
《气固相反应动力学》课件
气固相反应动力学理论在过去的几十年里取得了显著的进步，为工业上 的燃烧、化学反应器设计、催化剂活性研究等领域提供了重要的理论支 持。
实际应用的价值
气固相反应动力学的研究成果在实际应用中发挥了重要作用，如优化工 业过程、提高能源利用效率、减少环境污染等。
03
对学科的推动作用
气固相反应动力学的发展推动了化学反应工程、物理化学、材料科学等
高性能陶瓷制备
通过气固相反应技术合成高性能陶瓷材料，如氮化硅、碳化硅等， 用于制造高温、耐磨、耐腐蚀等高性能部件。
复合材料制备
气固相反应技术可用于制备复合材料，如碳纤维增强复合材料、金 属基复合材料等，具有优异的力学性能和功能特性。
06
总结与展望
气固相反应动力学的研究成果与贡献
01 02
气固相反应动力学理论的发展
模拟软件
LAMMPS、NAMD、Gromacs等。
模拟结果与模拟分析
反应速率常数
通过模拟计算得到反应速率常数，分析反应机 理。
能量变化
模拟过程中物质能量的变化，分析反应过程中 的能量转化。
微观结构变化
观察反应过程中物质微观结构的变化，如原子排列、分子构型等。
模拟结果与实验结果的比较与讨论
1 2
数据对比
数据分析
介绍数据分析的方法，如拟合、回归分析、误差分析等。
实验结果与讨论
实际应用的价值
气固相反应动力学的研究成果在实际应用中发挥了重要作用，如优化工 业过程、提高能源利用效率、减少环境污染等。
03
对学科的推动作用
气固相反应动力学的发展推动了化学反应工程、物理化学、材料科学等
高性能陶瓷制备
通过气固相反应技术合成高性能陶瓷材料，如氮化硅、碳化硅等， 用于制造高温、耐磨、耐腐蚀等高性能部件。
复合材料制备
气固相反应技术可用于制备复合材料，如碳纤维增强复合材料、金 属基复合材料等，具有优异的力学性能和功能特性。
06
总结与展望
气固相反应动力学的研究成果与贡献
01 02
气固相反应动力学理论的发展
模拟软件
LAMMPS、NAMD、Gromacs等。
模拟结果与模拟分析
反应速率常数
通过模拟计算得到反应速率常数，分析反应机 理。
能量变化
模拟过程中物质能量的变化，分析反应过程中 的能量转化。
微观结构变化
观察反应过程中物质微观结构的变化，如原子排列、分子构型等。
模拟结果与实验结果的比较与讨论
1 2
数据对比
数据分析
介绍数据分析的方法，如拟合、回归分析、误差分析等。
实验结果与讨论
1.2气固相催化反应固定床反应器ppt课件
大生产强度。
17
模型化
• 对于一个过程，进行合理的简化，利用 数学公式进行描述，在一定的输入条件 下，预测体系输出的变化。
• 对同一个体系，根据不同的简化和假定， 可以构造不同的模型。
• 不同的简化和假定，也决定了模型必然 含有一些参数，以修正模型与实际体系 的差异。
• 根据不同的简化和假定，分为几种不同
x iout
x i out x iin
ri
dx x,T
xi1 out
dx
r x , T xi1in
i1
0
变上限定积分的偏微分 ：
1
1
0
ri xiout , T ri1 xi1in , T
即 ri xiout , T ＝ ri1 xi1in , T ，无论中间转化率是多
后一段的入口反应速率 等于前一段的出口反应
dl
upcg
• 动量衡算：仍然是Ergun方程
d dp l R 1m 5e01.751 B 3Bd gusm 2
24
• 将三个方程联立：
dxARA1－B
dl
u0cA0
ddTl RA1BupcH gUd4i TTr
d dp l R 1m 5e01.751 B 3Bd gusm 2
• 边界条件：L=0, p=p0, xA=xA0, T=T0
基础上叠加了轴向返混。
17
模型化
• 对于一个过程，进行合理的简化，利用 数学公式进行描述，在一定的输入条件 下，预测体系输出的变化。
• 对同一个体系，根据不同的简化和假定， 可以构造不同的模型。
• 不同的简化和假定，也决定了模型必然 含有一些参数，以修正模型与实际体系 的差异。
• 根据不同的简化和假定，分为几种不同
x iout
x i out x iin
ri
dx x,T
xi1 out
dx
r x , T xi1in
i1
0
变上限定积分的偏微分 ：
1
1
0
ri xiout , T ri1 xi1in , T
即 ri xiout , T ＝ ri1 xi1in , T ，无论中间转化率是多
后一段的入口反应速率 等于前一段的出口反应
dl
upcg
• 动量衡算：仍然是Ergun方程
d dp l R 1m 5e01.751 B 3Bd gusm 2
24
• 将三个方程联立：
dxARA1－B
dl
u0cA0
ddTl RA1BupcH gUd4i TTr
d dp l R 1m 5e01.751 B 3Bd gusm 2
• 边界条件：L=0, p=p0, xA=xA0, T=T0
基础上叠加了轴向返混。
气-固相反应实例
Co3O4的在氢气中还原 La(OH)3的分解
TGA—气/固反应动力学实验方法
热重分析仪示意图
Co3O4氢还原动力学
Co3O4的分解过程用TG进行研究 等温（未到反应温度前通氩气保护，到达反应温 度时开始通H2还原）
非等温
等温热重实验的结果显示
1.0
E
0.8
D C
0.6
B A
0.4
[ ln(1 )]1 / m
形核与生长控速: (Avrami-Erofeev)
Am (0.5<m<4)
La(OH)3→LaOOH 反应的 ln(G(α)/T2) 和1/T的关系 （升温速率为10K/min）
-11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 0.00150 0.00155 0.00160 0.00165 0.00170 0.00175
lnk(min )
-2.0
-1
-2.5
-3.0
-3.5 1.65 1.70 1.75 1.80
-3 -1
1.85
1.90
1.95
1/T,10 K
非等温热重实验结果的积分处理法
d kf ( ) dt
f(α):速率微分式
k=Ae-E/(RT)
TGA—气/固反应动力学实验方法
热重分析仪示意图
Co3O4氢还原动力学
Co3O4的分解过程用TG进行研究 等温（未到反应温度前通氩气保护，到达反应温 度时开始通H2还原）
非等温
等温热重实验的结果显示
1.0
E
0.8
D C
0.6
B A
0.4
[ ln(1 )]1 / m
形核与生长控速: (Avrami-Erofeev)
Am (0.5<m<4)
La(OH)3→LaOOH 反应的 ln(G(α)/T2) 和1/T的关系 （升温速率为10K/min）
-11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 0.00150 0.00155 0.00160 0.00165 0.00170 0.00175
lnk(min )
-2.0
-1
-2.5
-3.0
-3.5 1.65 1.70 1.75 1.80
-3 -1
1.85
1.90
1.95
1/T,10 K
非等温热重实验结果的积分处理法
d kf ( ) dt
f(α):速率微分式
k=Ae-E/(RT)
气液固相反应动力学ppt完美版
iii) D在固体E上解吸
E·D = E + D
k = A·exp(– E/RT)
（式13-11）
Baidu Nhomakorabea
'
(C C ) (k / k ) 1——扩散边界层的有效厚度。
(D)S
(D)S
v 图界1面3-化1 学气反(液应)—控固制反时应，模活型化示能意通图常大于440 kJmol-1；
k 5 固相内扩散与界面化学反应混合控制
2
'
D k 2
（式13-4）
步骤5：可溶性生成物（D）在水溶液中的扩散
设扩散边界层内可溶性生成物（D）的浓度梯度为 常数，则D在水溶液中的扩散速度为：
v( D )5
D1'
C(
D)
S
C(
'1
D)O
C (D)O——生成物（D）在水溶液中的浓度； D1——生成物（D）在水溶液中的扩散系数；
有明显的界面； ◇ 随着反应的进行，产物层厚度逐渐增加，而未反应的反
应物核心逐渐缩小。 ◆ 区域化学反应
沿固体内部相界面附近区域发展的化学反应
图13-1 气(液)—固反应模型示意图
二、完整的气(液)固反应步骤
(1) 反应物 B(g,l)由流体相中通过边界层向反应固体 产物E(s)表面的扩散——外扩散；
(2) 反应物B(g,l)通过固体生成物E(s)向反应界面的 扩散——内扩散；
气固相催化反应流化床反应器完整版PPT
2
d
3 p
g
s 2
g
低雷诺数时，粘滞力损失占主导，忽略 后一项：
150 1 mf
s2
3 m
f
dp gum f
d
3 p
g
s 2
g
18
解得：
um
＝s2
d
2 p
f 150
s g
3 mf
1mf
Re 20
高雷诺数时，动能损失占主导，忽略前 一项：
1.75
s
3 m
f
dp gumf
22
23
3 反应器内径的计算
dT
4VG πu
VG：气流的体积流量m3s-1
dT：流化床内径m
u：气流的空塔流速m.s-1
可见，流化床的内径取决于气流的空塔气速， 而流化床的空塔气速应介于初始流化速度（也
称临界流化速度）与逸出速度之间。即维持流 化状态的最低气速与最高气速之间。
24
例8-1 计算萘氧化制苯酐的微球硅胶钒催 化剂的起始流化速度和逸出速度
1 2
CD
g
g
πd
2 p
4
ut2
CD--曳力系数
20
对于单颗粒，有半经验公式：
24 CD Re
10 CD 1
Re 2 CD 0.43
气固相催化反应本征动力学课件
r S 1 V d dk tm /s m c 2 o at或 l r A S 1 V d d A k n t m /s m c 2 o atl
学习交流PPT
6
➢固体催化剂的特殊结构，造成化学反应主要在 催化剂的内表面进行。
➢催化剂的表面积绝大多数是内表面积。
学习交流PPT
7
气固相催化反应的七个步骤
Langmuir 吸附等温式
学习交流PPT
23
焦姆金（ТЕМКИН）吸附模型
➢与Langmuir吸附模型不同， ТЕМКИН模型认为吸 附及脱附活化能与表面覆盖率呈线性关系。即：
Ea Ea0 Ed Ed0，因而
qEd Ea
Ed0Ea0 q0
学习交流PPT
24
弗鲁德里希（Freundlich）吸附模型
学习交流PPT
21
Langmuir 吸附模型
➢基本假定： 1.催化剂表面活性中心的分布是均匀的； 2.吸、脱附活化能与表面覆盖率无关； 3.每个活性中心只能吸附一个分子； 4.吸附的分子之间互不影响。 满足以上条件的吸附称为理想吸附模型。
学习交流PPT
22
➢基于以上假定，对
A
k 1
k
2
A
吸附速率
2
4.1 气固相催化过程
➢反应物和产物均为气相，催化剂为固相。 ➢催化剂参与反应，但在反应过程中不消耗。 ➢催化剂的加入可以改变反应速率。 ➢催化剂的加入，不能改变反应的平衡。催化剂同
气-固相反应实例
详细描述
为了确保气-固相反应的安全和环保性，应采取一系列措施，如控制反应温度和压力、使用惰性气体保 护、安装安全设施和环保设备等。此外，应关注催化剂和原料的环保性能，以减少对环境的负面影响 。
THANKS
感谢观看
在高温高压条件下，氮气和氢气 在催化剂作用下生成氨气，这是 工业上大规模合成氨的主要方法。
氧化钙的制备
将石灰石（主要成分是碳酸钙） 在高温下与氧气反应，生成氧化 钙和二氧化碳。
硫磺的制备
将硫化物（如硫化铁）在高温下 与空气中的氧气反应，生成硫磺 和二氧化硫。
新材料开发中的应用
碳化硅的制备
将硅和碳在高温下反应，生成碳化硅，碳化硅是一种硬度高、耐磨损、耐腐蚀 的材料，广泛应用于机械、电子、航空等领域。
气-固相反应的重要性
工业应用
气-固相反应在工业上具有广泛的应用，如石油化工、化学工 业、环保等领域。许多重要的化学反应，如合成氨、甲醇合 成、汽车尾气处理等，都是通过气-固相反应实现的。
基础研究
气-固相反应也是表面化学和催化科学领域的基础研究内容之 一。通过研究气-固相反应，可以深入了解表面化学反应的机 制和动力学过程，为新型催化剂的设计和开发提供理论支持 。
气-固相反应的类型
表面催化反应
01
气体分子在固体催化剂表面吸附并发生化学反应，生成产物并
释放出能量。
为了确保气-固相反应的安全和环保性，应采取一系列措施，如控制反应温度和压力、使用惰性气体保 护、安装安全设施和环保设备等。此外，应关注催化剂和原料的环保性能，以减少对环境的负面影响 。
THANKS
感谢观看
在高温高压条件下，氮气和氢气 在催化剂作用下生成氨气，这是 工业上大规模合成氨的主要方法。
氧化钙的制备
将石灰石（主要成分是碳酸钙） 在高温下与氧气反应，生成氧化 钙和二氧化碳。
硫磺的制备
将硫化物（如硫化铁）在高温下 与空气中的氧气反应，生成硫磺 和二氧化硫。
新材料开发中的应用
碳化硅的制备
将硅和碳在高温下反应，生成碳化硅，碳化硅是一种硬度高、耐磨损、耐腐蚀 的材料，广泛应用于机械、电子、航空等领域。
气-固相反应的重要性
工业应用
气-固相反应在工业上具有广泛的应用，如石油化工、化学工 业、环保等领域。许多重要的化学反应，如合成氨、甲醇合 成、汽车尾气处理等，都是通过气-固相反应实现的。
基础研究
气-固相反应也是表面化学和催化科学领域的基础研究内容之 一。通过研究气-固相反应，可以深入了解表面化学反应的机 制和动力学过程，为新型催化剂的设计和开发提供理论支持 。
气-固相反应的类型
表面催化反应
01
气体分子在固体催化剂表面吸附并发生化学反应，生成产物并
释放出能量。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
g () 0 f( 1 )d A o Te E /Rd T T A R p E ()
两边取对数 g() AR RT E
ln( T2
)lnE(12E)RT
气固相反应实例
单曲线法－Doyle方程： Doyle[92]将积分p(μ)估计为
lo p () g 2 . 3 0 1 . 45 5 ( 2 6 0 6 7 )0
等转化法利用升温速率不同的多条曲线求出反应的表 观活化能。由于不用假定反应动力学模型，得到的活 化能值被认为比较可靠，因此在近年来受到了普遍的 重视。
气固相反应实例
单曲线法－Coats-Redfern方程：
Coats和Redfern将积分p(μ)估计为
p() e (1 2) 2
E RT
因此可以利用在不同次测量下得到的相同反应分数
下对应的α作图
ln(ddt )ik
~
1 Tik
回归得到的斜率计算出表观活化能E
气固相反应实例
等转化法－Flynn-Wall-Ozawa(FWO)方法 ：
将Doyle方程变为
log g ()()loA g R)(E 2.31 0 5 .45R E 6T 7
log ) (loR gA ( (g)E )2.31 0 5 .45R E 6T 7
如果反应为单一过程，在给定的固定反应分数下
log0.456E7 const
RT 利用相同的反应分数下的logβi对1/T作图，求斜率可
以计算出E
气固相反应实例
等转化法－Kissinger方法 ：
Kissinger方法将积分p(μ)估计为
-1 5 .0
-1 5 .5
-1 6 .0
-1 6 .5
-1 7 .0 0.00170 0.00175 0.00180 0.00185 0.00190 0.00195 0.00200
l n ( 1 - (X1) - ) - l nT( / [T ] )
2
2
1 /3
-1 3 .0
-1 3 .5
A :1 5 K /m in 1 5 0 m l/m in
-1 4 .0
B :1 5 K /m in 1 2 0 m l/m in
C :2 5 K /m in 1 5 0 m l/m in
-1 4 .5
20
30
40
50
t (m in )
转化率随时间的变化
气固相反应实例
转化率随温度的变化
气固相反应实例
1 /3
1 - ( 1X-)
0 .3 0
0 .2 5
523K
553K
563K
0 .2 0
583K
603K
0 .1 5
0 .1 0
0 .0 5
0 .0 0
0
2
4
6
8
t (m in )
气固相反应实例
1 /3
log g ()()loA g R)(E 2.31 0 5 .45R E 6T 7
气固相反应实例
等转化法－Friedman方法 ：
由基本动力学方程
求对数
dAex pE(a)f()
dt
RT
lnd()Ea lnA[(f)]
dt RT
气固相反应实例
等转化法－Friedman方法 ：
在相同反应分数条件下，方程右边第二项相同
dt
dT dT
dT
积分得到：
g( )0 1 / f( ) d Ao Te E/ RdT T ARp E( )
p() e d
2
E RT
积分p(μ)没有解析解，只有数值解。
气固相反应实例
常用于非等温动力学分析的方法有单曲线法（模型拟 合法）和等转化法
单曲线法利用单条热分析曲线求出全部动力学参数， 主要通过假定动力学模型来拟合动力学曲线。常用方 程有Coats-Redfern方程和Doyle方程。
0 .0 0 1 7 0
0.00175 0.00180
1 /T (K -1)
0 .0 0 1 8 5
0 .0 0 1 9 0
0 .0 0 1 9 5
气固相反应实例
lnk(min-1)
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
1.65
1.70
1.75
1.80
1.85
1.90
1.95
1/T,10-3K-1
1 - ( 1X-)
0 .5 0
523K
0 .4 5
553K
0 .4 0
563K
583K
0 .3 5
603K
0 .3 0
0 .2 5
0 .2 0
0 .1 5
0 .1 0
0 .0 5
0 .0 0
0
1
2
3
4
5
6
7
t (m in )
气固相反应实例
l n (k/ [k] )
1
0
-1
-2
-3
-4
0 .0 0 1 6 5
气固相反应实例
d kf() f(α):速率微分式
dt
k=Ae-E/(RT)
＝dT/dt
G(α): f(α)的积分函数, 球形颗粒界面化学 反 应控速： G(α)=1-(1-α)1/3
lnGT(2)lnAER 12R ET RET
气固相反应实例
ln((1-(1-X)1/3)-ln(T2/[T2])
气固相反应实例
气固相反应实例
气固相反应实例
等温 非等温
气固相反应实例
动力学方程一般表示为：
微分形式 d k f()
dt
积分形式
g()kt
g(α) α dα 0 f (α)
反应机理、控速步骤不同对应不同的动力学 模型 f(α)和g(α)
气固相反应实例
将dT/dt=β代入：
d kf() dα dtkf(α) dαA/βexp E/(R)T f(α)
-13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 0.0016
A:15K/min 150ml/min B:15K/min 120ml/min C:25K/min 150ml/min
0.0017
0.0018
1/T (K-1)
0.0019
ln G ( X ) -1/T关系
T2
0.0020
气固相Байду номын сангаас应实例
热重分析仪示意图
气固相反应实例
Co3O4的分解过程用TG进行研究 等温（未到反应温度前通氩气保护，到达反应温
度时开始通H2还原） 非等温
气固相反应实例
X
1 .0
E
0 .8
D C
0 .6
B
0 .4
0 .2
A :523K
B :553K
A
C :563K
D :583K
E :603K
0 .0 0
10
p()exp )(/2
E RT
得到
E
ln const T2 RT
g () 0 f( 1 )d A o Te E /Rd T T A R p E ()
利用 log i ~ 1 作图，求斜率可以计算出E
T 2 Tik
气固相反应实例
Co3O4的在氢气中还原 La(OH)3的分解
气固相反应实例