第二章 吸附作用与多相催化

(1)反应物分子从气流中向
催化剂颗粒
催化剂表面和孔内扩散；
表 （2) 反应物分子在催化剂
(5)
面 进
内表面上吸附；
行 (3)吸附的反应物分子在催化剂
的 表面上相互作用或与气相分
(5)
化 学
子作用进行化学反应；
过 程
(4)反应产物自催化剂内表面脱附；
(5)反应产物在孔内扩散并扩
散到反应气流中去。
内孔道
四、内扩散效应的判断和消除
C(x)
C=0
0
x
孔内反应物浓度变化示意图
当反应物分子从固体外表面通过催 化剂的孔口进入到孔道时，一部分反 应物已经在表面上发生了反应。所以 实际上反应物分子在进入孔道后就是 边扩散边反应的。
一个化学物种先要经历从流体克服流体-固相间界面膜
的阻力，扩散而到达催化剂的外表面，其中大部分还要
进一步克服催化剂颗粒的内阻力而扩散到占整个催化剂
表面绝大部分的内表面上。这就是
(interphase
diffusion)和
(interparticle diffusion)或称为
和
。
二、外扩散控制的反应和内扩散控制的反应
η
=
1
+
1 ks ×
D
L
1、当
ks ⋅ L D
<< 1，即ks
<<
D L
，则
η接近与1，表明扩散效应可以
忽略。因此要消除外扩 散效应的话，务必要使 ks和L的数值减少，
D的数值要增大。
2、当
ks ⋅ L D
>>
1，即 k s
>>
D L ，则
( r = rdif = k s ⋅
C0 ks ⋅ L
D
=
)
= ks ⋅ Cs
Cs
=
D ⋅C0 kS ⋅L + D
=
C0
1
+
k
s ⋅L D
r
=
ks × Cs
=
ks
×
1
+
C0 ks ×
D
L
=
ks × C0 ×η
η
=
1+
1 ks ×
D
L
与无外扩散效应时相比较，两者相差η倍。因为纯
属外扩散引起，又可称为扩散因素。 η值愈小，扩散愈占优势，反之表面反应占优势。 必须考虑下面两种极端情况。
D L
C0
=
k'C0
此式表明反应在外扩散区进 行时，表观反应速率常数为 D/L，动力学行为属于一级
反应。由于包含了扩散系数， 它的行为受扩散控制。
可以采用下列两种方法来判断和消除外扩散效应：
（１）在相同的实验条件下，观察反应物不同的流动线速 度（流动体系）或搅拌速度（静态体系）对反应速率的影响。
反应速率
时内表面浓度(Cx)远小于气相浓度(C0)或表面浓度(Cs)，催化剂 内部没有得到充分利用，内部扩散成了控制因素，这种反应称
为内扩散控制的反应。
在多相催化反应中，物理过程和表面化学过程 交织在一起，为了得出正确的催化反应本身的 动力学规律性，首先要排除扩散所引起的影响。
三、外扩散效应的判断和消除
反应物自气流主体向催化剂外表面
扩散的速率可用Fick定律方程表示： D：扩散系数；
rdif
=
D(
C0
− L
Cs
)
L：扩散层厚度； C0和Cs分别为反应物在 气流主体和外表面上
的浓度。
若是简单的一级反应，则， r = ksCs
ks：单位外表面积上的
反应速率常数
由于反应受外扩散控制，当体系达到稳定状态时:
rdif = r
D⋅
C0
− Cs L
C0
Cs
L
x
Cx
C0：反应物在气相中的浓度 Cs：反应物在外表面的浓度 Cx：反应物在不同孔隙深度x
的内表面上的浓度 L：界膜层的厚度
多相催化过程中反应物在不同区域的浓度分布图
1、如果C0 ≈ CS，Cx = 0，则反应在外动力学区进行； 2、如果C0 >> CS，Cx = 0，则反应在外扩散区进行； 3、如果C0 ≈ CS ≈ Cx，则反应在内动力学区进行； 4、如果C0 ≈ CS >> Cx ,则反应在内扩散区进行。
外扩散区
如果反应速率受线速度或搅拌速率 影响，表示线速度或搅拌速度的增加
消除外扩散 会使表面层厚度减小，从而增加反应
速率，此时说明存在外扩散效应。为 了消除外扩散效应就必须将线速度或 搅拌速度提高到反应速率不再增加。
线v速0度ｖ
在增加原料气线速度时，若不同时 改变催化剂床层高度，则随着空速增 加，物料与催化剂的接触时间将减少 因而转化率有可能下降。为此，实验 时应固定接触时间，即同时改变催化 剂量及原料气流量，以维持相同的接 触时间，这样才能获得正确结果。
对2、4两种情况，可作如下解释：
：如果反应物向固体催化剂外表面的扩散很慢，则
反应物一经扩散到外表面就被反应掉。因此，反应物在催化剂
外表面上的浓度几乎等于零，这时反应速率决定于反应物扩散
到催化剂外表面的速率，这种反应称为外扩散控制的反应。
：如果反应物很快扩散到外表面，但催化剂的微孔
直径很小，或微孔很长，则反应物不易扩散到催化剂内部，此
（２）在相同的实验条件下，改变反应的温度，观察反应 速率随温度的变化。
∵ ks ∝ e-E/RT, D ∝ T3/2 ∴ 降低温度造成ks值的变化比D值的变化要大得多。
若观察到因温度变化引起的反应速率变化不大，且活 化能也小于20 kJ·mol-1，则表示反应在外扩散区进行;
此时可进一步降低反应温度，使反应速率常数降得更 快些，以调节到反应速率不再受外扩散影响为止。也即， 使ks<< D/L，以达到η接近于1的目的。
然是扩散过程的规律，称过程在
进行。
表面化学过程的速率比扩散速率小得多，以致扩散效 应可忽略不计，此时测得的速率方程反映了表面化学
过程的规律，称过程在
进行。
第二节 多相催化中的传质
一、外扩散和内扩散
在多相催化反应中，固体催化剂通常为多孔的，其表面
积大部分处于孔中，因此反应的主要场所是在内表面上。
反应物必须进入孔中才能与催化剂表面接触。这就要求
第二章 吸附作用与多相催化
第一节 多相催化的反应步骤 第二节 多相催化中的传质 第三节 多相催化中的化学过程
第一节 多相催化的反应步骤
一、多相催化反应特点
实用催化剂形貌
催化剂一般是由多种催化材料组成的功能材料
催化剂的空间尺度
二、多相催化反应过程
气 流 层
滞流层
(1)
(1) (2)
(3) (4)
动力学效能取决于以下几步的速率
反应物气相主体到达颗粒外表面 反应物从外表面进入颗粒内部
传质过程
①
反应物被活性位吸附，成为活性吸附态；
②
：吸附态起反应，生成吸附态产物；
源自文库
③ ：吸附态产物脱附成自由的产物。
扩散速率与表面反应速率
扩散速率比表面化学过程速率小得多，以致扩散过程 成为反应的速率控制步骤。此时从实验上观察到的显