化学反应工程课件_催化剂与催化动力学基础
合集下载
化学反应工程课件
第二章 反应动力学基础
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
最新第11章反应动力学基础ppt课件
• 等分子反应：计量方程中计量系数的代数和等于零， 膨胀因子为0。
• 非等分子反应：计量系数的代数和非为零（可正、可
负），A物质膨胀因子如下 APQ AAB
膨胀因子的计算
• 例题：已知某反应反应计量式如下：A+2B=3C+4D B物质的膨胀系数
B342 122
D物质的膨胀系数
D344 121
计算膨胀因子的意义
A A B B P P Q Q
• 计量方程：表示参与反应的各组分量的变化，与反应
历程无关。 A M A B M B P M P Q M Q
• 计量方程中M表示各组分的摩尔质量
膨胀因子的计算
• 每消耗1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量
的变化量(δ)称为该反应物的膨胀因子。
A(nn0)nA 0nA
反应速率的定义
• 单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量
ri
1 V
dni dt
• 对于简单反应 A P
rA
dnA Vdt
rP
dnP Vdt
• rA 视为一整体
气-固相反应的反应速率
以固体催化剂的质量(m)、表面积(S)、颗粒体积(Vp)为
基准的反应速率
rA
dnA Vdt
m、S、Vp
(－rA)V=(－rAm)m= (－rAs)S= (－rAVp)Vp
rAm,rAs,rAVp
• 【例题11.3.1】某气固相催化反应在一定温度和浓度 条件原料A的反应速率为 rA m3.0 1 3 0 m/o s[g l催 ( 化 )。] 剂 已知催化剂填充层的填充密度为 ＝ 1.20g/cm 3，填充层
空隙率 ＝0.40 。试分别计算以反应层体积和催化剂
• 非等分子反应：计量系数的代数和非为零（可正、可
负），A物质膨胀因子如下 APQ AAB
膨胀因子的计算
• 例题：已知某反应反应计量式如下：A+2B=3C+4D B物质的膨胀系数
B342 122
D物质的膨胀系数
D344 121
计算膨胀因子的意义
A A B B P P Q Q
• 计量方程：表示参与反应的各组分量的变化，与反应
历程无关。 A M A B M B P M P Q M Q
• 计量方程中M表示各组分的摩尔质量
膨胀因子的计算
• 每消耗1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量
的变化量(δ)称为该反应物的膨胀因子。
A(nn0)nA 0nA
反应速率的定义
• 单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量
ri
1 V
dni dt
• 对于简单反应 A P
rA
dnA Vdt
rP
dnP Vdt
• rA 视为一整体
气-固相反应的反应速率
以固体催化剂的质量(m)、表面积(S)、颗粒体积(Vp)为
基准的反应速率
rA
dnA Vdt
m、S、Vp
(－rA)V=(－rAm)m= (－rAs)S= (－rAVp)Vp
rAm,rAs,rAVp
• 【例题11.3.1】某气固相催化反应在一定温度和浓度 条件原料A的反应速率为 rA m3.0 1 3 0 m/o s[g l催 ( 化 )。] 剂 已知催化剂填充层的填充密度为 ＝ 1.20g/cm 3，填充层
空隙率 ＝0.40 。试分别计算以反应层体积和催化剂
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第五章_催化剂与催化动力学基础
Ki 称为吸附平衡常数，是i组分吸附速率常数与脱附速率常数之比。 式（5-28）即为过程的总速率方程。由该式的分母可知，反应物和产物 均被吸附。分母的方次表明该反应是在A、B两个活性中心之间进行的。
若控制步骤为可逆反应 过程总速率：
Aσ + Bσ
k1
k2
Rσ + Sσ
r k k A 1 A B 2 R S
第五章 催化剂与催化动力学基础
5.1 催化剂
能够改变化学反应速率而本身在反应前后不发生组成变化的物质。 （1）类型 金属（良导体）、金属氧化物和硫化物（半导体）以及盐类和 酸性催化剂（大多数是绝缘体） （2）载体 活性炭、硅胶、活性白土、硅藻土、沸石（分子筛）、骨架Ni、 活性Al2O3、 Fe等 （3）性能要求 活性好、选择性高、寿命长。 （4）结构
k k K K 1 A B
K
k1K A KB k2 KR KS
比较式（5-28）和式（5-30）可见，表面反应为控制步骤时，可逆反 应与不可逆反应速率式的分母相同，区别在于分子。可逆反应的分子上有两 项，不可逆反应只有一项。
A在吸附时解离 A + 2σ B + σ 2A1/2σ + Bσ Rσ Sσ 按上述方法可得到
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积
破碎强度
压降
独石形
金属独石形
Foam
（5）制备方法
① 混合法
② 浸渍法 ③ 沉淀法或共沉淀法 ④ 共凝胶法 ⑤ 喷涂法及滚涂法 ⑥ 溶蚀法 ⑦ 热熔法
5.3 气固相催化反应动力学
气-固相反应速率的定义式
化学反应工程课件
3、简化模型的要求：
（1）不失真； （2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域 渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学 加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
2 、化学反应器
在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物 料的化学性质。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化 工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器 中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设 备。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
《催化反应动力学》课件
工业催化反应
石油化工
催化裂化、加氢裂化、烷基化等，提高油品质量 和产量。
精细化工
有机合成、高分子合成、药物合成等，生产高附 加值化学品。
环保领域
脱硫、脱硝、污水处理等，降低污染物排放，保 护环境。
环境催化反应
大气污染治理
催化燃烧、光催化分解等，降低空气中的有害气体和颗粒物。
水处理
催化氧化、光催化氧化等，去除水中的有害物质和重金属离子。
土壤修复
利用催化剂降解土壤中的有机污染物，降低污染风险。
新材料合成中的催化反应
高分子材料
利用催化合成技术，制备高性能高分子材料 。
纳米材料
通过催化反应控制纳米材料的形貌和尺寸， 制备具有特殊性能的纳米材料。
复合材料
利用催化反应将不同材料复合在一起，制备 具有优异性能的复合材料。
06
总结与展望
本章总结
实验步骤与操作
01
实验操作注意事项
02 1. 确保实验器材和试剂的清洁度，避免污 染。
03
2. 严格控制实验温度和压力，确保实验条 件的准确性。
04
3. 在实验过程中，密切关注反应情况，如 有异常及时处理。
数据处理与分析
01
数据处理方法
02 1. 将实验数据整理成表格，列出各物质浓度的变 化。
03 2. 根据反应动力学方程，计算反应速率常数、活 化能等参数。
《催化反应动力学》 PPT课件
目录
• 引言 • 催化反应动力学基础 • 催化反应动力学模型 • 催化反应动力学实验 • 催化反应动力学应用 • 总结与展望
01
引言
课程简介
催化反应动力学是化学工程学科中的一门重要 课程，主要研究催化剂对化学反应速率的影响 。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
化学反应工程第一章气固相催化反应本征及宏观动力学
•Solid catalyzed reactions Kinetics, rate equation
n 1－12 n 1－13 n 1－14 n 1－15
固体催化剂 吸附等温方程 均匀表面吸附动力学方程 不均匀表面吸附动力学方程
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－12 固体催化剂
速率常数与活化能及温度的关系
•速率常数
•活化能
PPT文档演模板
•温度
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－9反应速率常数及温度对反应速率常数 影响的异常现象
•ln k •ln k
PPT文档演模板
•1/T
•1/T
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
第四节 气－固相催化反应本征动力学方程
新途径，它涵盖了化学量测的全过程，包括采样理论与方法、
试验设计与化学化工过程优化控制、化学信号处理、分析信号
的校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计
算机模拟、化学定量构效关系、化学数据库、人工智能与化学
专家系统等，是一门内涵相当丰富的化学学科分支。
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
xA=(15mol－13mol)/15mol=0.133 第一个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×S
第二个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×（1－S）
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
•例题
•故有：2mol ×S ×0.5+2mol ×(1－S) ×3=7mol－4.76mol •S=0.752 •Y=第一个反应所消耗的乙烯÷加入的乙烯总量（15mol） •故Y＝2 × 0.752÷15=0.100 •或Y＝ xA S=0.100
n 1－12 n 1－13 n 1－14 n 1－15
固体催化剂 吸附等温方程 均匀表面吸附动力学方程 不均匀表面吸附动力学方程
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－12 固体催化剂
速率常数与活化能及温度的关系
•速率常数
•活化能
PPT文档演模板
•温度
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
1－9反应速率常数及温度对反应速率常数 影响的异常现象
•ln k •ln k
PPT文档演模板
•1/T
•1/T
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
第四节 气－固相催化反应本征动力学方程
新途径，它涵盖了化学量测的全过程，包括采样理论与方法、
试验设计与化学化工过程优化控制、化学信号处理、分析信号
的校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计
算机模拟、化学定量构效关系、化学数据库、人工智能与化学
专家系统等，是一门内涵相当丰富的化学学科分支。
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
xA=(15mol－13mol)/15mol=0.133 第一个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×S
第二个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×（1－S）
PPT文档演模板
化学反应工程第一章气固相催化反应 本征及宏观动力学
•例题
•故有：2mol ×S ×0.5+2mol ×(1－S) ×3=7mol－4.76mol •S=0.752 •Y=第一个反应所消耗的乙烯÷加入的乙烯总量（15mol） •故Y＝2 × 0.752÷15=0.100 •或Y＝ xA S=0.100
化学反应工程课件-5
由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所 有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料 的混合，即无返混现象；
出料组成与反应器内物料的最终组成相同；
为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时 间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间 等。
21
间歇反应器
反应过程中没有进料和出料的反应器 问题：
下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。
25
间歇反应器设计方程
26
反应时间与浓度
一级不可逆反应
反应速率方程：rA = k cA
dcA dt
kcA
t cA dcA 1 ln( cA0 )
k c cA0
A
k
cA
cA= cA0 exp(-kt)
27
反应时间与浓度
二级反应
反应速率方程：rA = k cA2
反应 Aproduct
辅助时间 t0
反应器体积=生产强度*(t+t0)
t N A0
dx x A f
A
Vr x A 0
A
t
dc cAf
A
r cA0
A
35
间歇反应器体积计算
反应器体积=生产强度*t
生产强度＝NA 0 /cA0 cA是确定的！
36
间歇反应器设计计算过程
对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量 FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品
xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0h
43
例题答案
(2)反应器体积的计算
xA= 0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h
出料组成与反应器内物料的最终组成相同；
为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时 间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间 等。
21
间歇反应器
反应过程中没有进料和出料的反应器 问题：
下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。
25
间歇反应器设计方程
26
反应时间与浓度
一级不可逆反应
反应速率方程：rA = k cA
dcA dt
kcA
t cA dcA 1 ln( cA0 )
k c cA0
A
k
cA
cA= cA0 exp(-kt)
27
反应时间与浓度
二级反应
反应速率方程：rA = k cA2
反应 Aproduct
辅助时间 t0
反应器体积=生产强度*(t+t0)
t N A0
dx x A f
A
Vr x A 0
A
t
dc cAf
A
r cA0
A
35
间歇反应器体积计算
反应器体积=生产强度*t
生产强度＝NA 0 /cA0 cA是确定的！
36
间歇反应器设计计算过程
对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量 FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品
xA=0.6 tr=3.18h xA=0.8 tr=8.5h xA=0.9 tr=19.0h
43
例题答案
(2)反应器体积的计算
xA= 0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h
高等化学反应工程-1-第1章-催化剂与催化动力学基础
而： i
K i Pi 1 - 9 1 K i Pi
从朗缪尔吸附等温线可以看出：吸附量（或覆盖率）与压力的关系是双 曲线型。辛雪乌（Hinshewood）利用本模型成功地处理了许多气固相催 化反应，所以又被称为“兰-辛（L-H）机理”。
⒉弗罗因德利希型（非理想表面） 均匀表面吸附理论的关键在于认为催化剂表面各处吸附能力完全相同， 即吸附、脱附活化能和吸附程度无关，但实际上是有关系的。 弗罗因德利希认为：对吸附、脱附过程，吸附、脱附活化能是随表面覆 盖度的增加而变化的。即对吸附过程：
很快，活化能低，<4 kJ/mol <8 kJ/mol，很少超过凝缩热 多分子层 高度可逆 用于测定表面积及微孔尺寸
温度较高，远高于沸点
非活化的，低活化能；活化的，高活化能， >40 kJ/mol >40 kJ/mol，与反应热的数量级相当 单分子层 常不可逆 用于测定活化中心的面积，及阐明反应动力 学规律
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个反应组分的气体分子 或者是其中的一类分子能发生一定的作用，在这一定的作用里面，最基本 的作用是吸附。吸附就是最基本的现象，可以说吸附是催化反应发生的前 提。 吸附的两种类型：物理吸附和化学吸附。
物理吸附： ①在低温下才较显著，类似于凝缩过程；气体分子与固体表面间的吸力 很弱，吸附热约为8~25 kJ/mol，吸附的活化能很小，常在4 kJ/mol以下； 由于所需能量小，所以达到平衡也快； ②升高温度可使物理吸附的能力迅速降低，在物质临界点以上，一般物 理吸附已极微，这就说明它不是催化中的重要因素。
0 Ea E0 a A ，E d E d A
吸附过程： ra k a p A exp gA 1 - 14 脱附过程： rd k d exph A 1 - 15 当吸附平衡时，得： 1 A lnap A 1 - 16 f f g h 1 - 17 其中， a k a k d 焦姆金型主要适用于覆盖率为中等程度时。
催化剂与催化动力学
Langmuir吸附等温线式
n
吸附机理
n
基本假定
1. 均匀表面(或称理想表面)：即催化剂表面各处 的吸附能力是均一的，吸附热与表面已被吸附 的程度如何无关； 2. 单分子层吸附； 3. 被吸附的分子间互不影响，也不影响别的分子 的吸附； 4. 吸附的机理均相同，吸附形成的络合物亦均相 同。
吸附时，气 体分子不断撞击到催化剂表面 上来而 有一部分被吸附住，但 由于分子的各种动 能，也 有一些吸附的分子脱附下去 ，最后达到动 态的平 衡。 设固体表面被吸附分子所覆盖的分率 (覆盖率 )为 θ ，则裸露部分的分率便为(1-θ); 吸附上去的速率 r应与裸露面积的大小 及气相分压 (即代表气体分子与 表面的碰撞次数 )成正比 ，因此 对于分子A在活性点 σ上的吸附，其机理可写成 :
化学工程 化学工程
n n
n n
化学反应工程 化学反应工程
n n
相似论、因次论 相似论、因次论
n n
数学模型法 数学模型法 非线性问题 非线性问题 数值 方法
n n
物理过程 物理过程
化学过程和物理过程 化学过程和物理过程
n n
要了解反应器内发生的物理和化学现象： p 化学反应与速度 p 流动 ‘三传一反’ p 热量传递 p 质量传递
Langmuir吸附等温线可以看出吸附量 吸附等温线可以看出吸附量 Langmuir (或覆盖率 或覆盖率 )与压力的关系是双曲线型 与压力的关系是双曲线型 ( )
Hinshelwood成功地描述了气－固相催化反应， L-H机理
n
可见，A为解离吸附，则(KAPA)项为1/2次方。
Freundlich型（弗罗因德利希）
吸附反应过程
1. A的膜扩散 浓度推动力 4. 表面反应 化学势 5. 产品表面脱附 浓度推动力 2. 内孔扩散 浓度推动力
化学反应工程PPT课件
行分析的基本依据。
2.1.2 均相反应动力学方程
解：将Arrhenius式取对数，则有
ln
k
E RT
ln
k0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整理表2.1-1中数据可得
B
-7.2
-7.4
lnk
-7.6
-7.8
-8.0
-8.2
-8.4
2.30
2.32
2.34
2.36
2.38
2.40
2.42
2.1 基本概念及术语
2.1-4 反应速率方程
一、函数形式
r f (T , P, cA, cB......)
（1）双曲函数型 由反应机理导出，常用于反应机理分析。 （2）幂函数型 由质量作用定律得到，函数中的参数需通过实验测定， 常用于工程计算。 二、动力学方程
设一均相不可逆反应 动力学方程
aA bB pP
代入动力学方程整理得
cR0 cR0+cA0xA
dxA dt
(k1
k2
cR0 cA0
)
(k1
k2
)
xA
可逆反应的计算中常引入化学平衡数据，这里假设
（1）
（1）
表2-2-2列出其它可逆反应的速率方程的积分形式。要求能够根据 具体反应正确选择方程式进行计算。
2.2-3 均相催化反应
A+C
R+ C
（2-2-30）
-rA
特点：有一最大反应速率
cM0/2
cA
对式（2-2-30）微分，并令其导数等于零，得到最大反应速率及
对应的反应物浓度
催化剂与催化动力学基础1
2
反 应 工 程
催化反应
第 四 章 非 理 想 流 动
生命体需要氧气生存，在生物体内也可看到传递所起到的 重要作用。一个气泡，要通过气膜、液膜还要通过细胞壁 进入到细胞中参与反应，比煤的燃烧更复杂。这是一个生 物催化反应，通过细胞中的酶催化的反应。
·
3
反 应 工 程
无催化剂
反应物
产物
E
催化剂
有催化剂
9
பைடு நூலகம் 反 应 工 程
二、催化剂的作用
催化剂是能够加速化学反应速率而本身能复原的物质。 催化剂有下列性质： 1. 产生中间产物，改变反应途径，因而降低反应活化能 和加速反应速率； 2. 不能改变平衡状态和反应热；
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
3. 必然同时加速正反应和逆反应的速率；
4. 具有选择性，使化学反应朝着期望的方向进行，抑制 不需要的副反应。
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
初始状态
完成
反应
由于催化剂的作用，降低了活化能，使反应加快。
4
反 应 工 程
一、催化剂
催化剂：又叫触媒是能改变化学反应速率而本身在反应前 后却不发生组成变化的物质。 催化剂有下列性质： 1. 产生中间产物，改变反应途径，因而降低反应活化能和
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
沉淀法或共沉淀法：在充分搅拌的条件下，向催化剂的 盐类溶液中加入沉淀剂(有时还加入载体)，即生成催化剂 的沉淀。再经过滤及水洗除去有害离子，然后煅烧成所 需的催化剂组成。
12
溶蚀法：如骨架镍，先将Ni与Al按比例混合熔炼，制成合金，粉 碎以后再用苛性钠溶液溶去除合金中的Al而形成骨架镍。 热熔融法：将主催化剂及助催化剂组份放在电炉内熔融后，再把 它冷却和粉碎到需要的尺寸，粉碎、筛分，制得催化剂成品。如 合成氨用的熔铁催化剂。 共凝胶法：此法与沉淀法类似，它是把两种溶液混合而生成凝胶 的。在一定的温度和强烈搅拌下生成凝胶，再静置相当时间使之
反 应 工 程
催化反应
第 四 章 非 理 想 流 动
生命体需要氧气生存，在生物体内也可看到传递所起到的 重要作用。一个气泡，要通过气膜、液膜还要通过细胞壁 进入到细胞中参与反应，比煤的燃烧更复杂。这是一个生 物催化反应，通过细胞中的酶催化的反应。
·
3
反 应 工 程
无催化剂
反应物
产物
E
催化剂
有催化剂
9
பைடு நூலகம் 反 应 工 程
二、催化剂的作用
催化剂是能够加速化学反应速率而本身能复原的物质。 催化剂有下列性质： 1. 产生中间产物，改变反应途径，因而降低反应活化能 和加速反应速率； 2. 不能改变平衡状态和反应热；
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
3. 必然同时加速正反应和逆反应的速率；
4. 具有选择性，使化学反应朝着期望的方向进行，抑制 不需要的副反应。
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
初始状态
完成
反应
由于催化剂的作用，降低了活化能，使反应加快。
4
反 应 工 程
一、催化剂
催化剂：又叫触媒是能改变化学反应速率而本身在反应前 后却不发生组成变化的物质。 催化剂有下列性质： 1. 产生中间产物，改变反应途径，因而降低反应活化能和
第 四 章 非 理 想 流 动 ·
沉淀法或共沉淀法：在充分搅拌的条件下，向催化剂的 盐类溶液中加入沉淀剂(有时还加入载体)，即生成催化剂 的沉淀。再经过滤及水洗除去有害离子，然后煅烧成所 需的催化剂组成。
12
溶蚀法：如骨架镍，先将Ni与Al按比例混合熔炼，制成合金，粉 碎以后再用苛性钠溶液溶去除合金中的Al而形成骨架镍。 热熔融法：将主催化剂及助催化剂组份放在电炉内熔融后，再把 它冷却和粉碎到需要的尺寸，粉碎、筛分，制得催化剂成品。如 合成氨用的熔铁催化剂。 共凝胶法：此法与沉淀法类似，它是把两种溶液混合而生成凝胶 的。在一定的温度和强烈搅拌下生成凝胶，再静置相当时间使之
《反应动力学基础》课件
实验结果。
B
C
D
结果应用与展望
探讨实验结果在实际生产和科研中的应用 前景和价值，同时提出进一步的研究方向 和展望。
结果比较与验证
将实验结果与已有的研究结果进行比较和 分析，验证实验结果的可靠性和准确性。
06
反应动力学的应用
在化学工业中的应用
化学反应过程优化
反应动力学基础能够帮助我们理解化学反应过程，从而优化反应 条件，提高产物的收率和选择性。
动力学的微分方程。
质量作用定律
02 根据质量作用定律，推导出反应速率与反应物质浓度
的关系式，进而得到微分方程。
平衡常数的影响
03
考虑平衡常数对反应速率的影响，将平衡常数纳入微
分方程的推导过程中。
微分方程的解法
分离变量法
通过分离变量法，将微分方程转化为多个常微分方程，简化求解 过程。
积分因子法
利用积分因子法，消除微分方程中的积分项，从而得到方程的解。
反应速率常数
总结词
反应速率常数是反应速率方程中的比例系数，表示反应速率 的大小。
详细描述
反应速率常数是化学动力学中的一个重要参数，它是反应速 率方程中的比例系数。它表示了在一定条件下，反应速率的 大小。反应速率常数越大，反应速率越快；反之，则越慢。
反应机理
总结词
反应机理是描述化学反应过程中各步骤的详细过程的模型。
详细描述
反应速率描述了化学反应的快慢程度，通常用单位时间内反应物或生成物的浓 度变化来表示。在单位时间内，反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量即为 该反应的反应速率。
反应速率方程
总结词
反应速率方程是用来描述反应速率与反应物浓度的关系的数学表达式。
详细描述
B
C
D
结果应用与展望
探讨实验结果在实际生产和科研中的应用 前景和价值，同时提出进一步的研究方向 和展望。
结果比较与验证
将实验结果与已有的研究结果进行比较和 分析，验证实验结果的可靠性和准确性。
06
反应动力学的应用
在化学工业中的应用
化学反应过程优化
反应动力学基础能够帮助我们理解化学反应过程，从而优化反应 条件，提高产物的收率和选择性。
动力学的微分方程。
质量作用定律
02 根据质量作用定律，推导出反应速率与反应物质浓度
的关系式，进而得到微分方程。
平衡常数的影响
03
考虑平衡常数对反应速率的影响，将平衡常数纳入微
分方程的推导过程中。
微分方程的解法
分离变量法
通过分离变量法，将微分方程转化为多个常微分方程，简化求解 过程。
积分因子法
利用积分因子法，消除微分方程中的积分项，从而得到方程的解。
反应速率常数
总结词
反应速率常数是反应速率方程中的比例系数，表示反应速率 的大小。
详细描述
反应速率常数是化学动力学中的一个重要参数，它是反应速 率方程中的比例系数。它表示了在一定条件下，反应速率的 大小。反应速率常数越大，反应速率越快；反之，则越慢。
反应机理
总结词
反应机理是描述化学反应过程中各步骤的详细过程的模型。
详细描述
反应速率描述了化学反应的快慢程度，通常用单位时间内反应物或生成物的浓 度变化来表示。在单位时间内，反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量即为 该反应的反应速率。
反应速率方程
总结词
反应速率方程是用来描述反应速率与反应物浓度的关系的数学表达式。
详细描述
最新第2章化学反应动力学ppt课件
当吸附和脱附达到动态平衡时有：rrard0
按照理想吸附层模型，净吸附速率为
r k ap A (1 rA ) rak d rA d0
上式称为Langmuir吸附（模型）速率方程， ka和kd 为吸附速 率常数和脱附速率常数。
A ka A
kd
化学吸附理论
rApAfAex p R E T kfAexpR EdT
理想吸附层模型
真实吸附层模型
r k ap A (1 A ) k dAr k r a a p A r e d x p ( gA ) k d e x p (hA )
气固相催化反应本征动力学
理想吸附层等温方程
当吸附达到平衡时
r r a r d 0 r a r d k a p A ( 1 A ) k d A
（2）双曲型动力学方程
如：氢气与溴反应生成溴化氢
(rHB)rk2k1C CH H2C B/B 1rC /22rB2r
实验得知 H2＋Br2
2HBr
此反应系由以下几个基元反应组成：
实验得知H2和Br2反应生成溴化氢反应由几个基元反应组成
反应历程 （机理）
化学计量式仅表示参与反应的各物质间的量的变化关系，与实 际反应历程(反应机理无关)。
( 2 ) k 410 k 400
100000 10
e 8 .314 400 410
2 .1
( b ) E 2 150 kJ / mol
(1 ) k 310 k 300
E 21
k 0 e 310 R E2 k 0 e 300 R
E 2 300 310
e 7 R 300 310
气固相催化反应本征动力学
例如：有如下一A反应 B R
A ArA kaApAV kdAA B BrB kaBpBV kdBB A B R r kSAB kSRV R RrR kdRR kaRpRV 其中V为表面空白活性位，且 V＝1－A B R
按照理想吸附层模型，净吸附速率为
r k ap A (1 rA ) rak d rA d0
上式称为Langmuir吸附（模型）速率方程， ka和kd 为吸附速 率常数和脱附速率常数。
A ka A
kd
化学吸附理论
rApAfAex p R E T kfAexpR EdT
理想吸附层模型
真实吸附层模型
r k ap A (1 A ) k dAr k r a a p A r e d x p ( gA ) k d e x p (hA )
气固相催化反应本征动力学
理想吸附层等温方程
当吸附达到平衡时
r r a r d 0 r a r d k a p A ( 1 A ) k d A
（2）双曲型动力学方程
如：氢气与溴反应生成溴化氢
(rHB)rk2k1C CH H2C B/B 1rC /22rB2r
实验得知 H2＋Br2
2HBr
此反应系由以下几个基元反应组成：
实验得知H2和Br2反应生成溴化氢反应由几个基元反应组成
反应历程 （机理）
化学计量式仅表示参与反应的各物质间的量的变化关系，与实 际反应历程(反应机理无关)。
( 2 ) k 410 k 400
100000 10
e 8 .314 400 410
2 .1
( b ) E 2 150 kJ / mol
(1 ) k 310 k 300
E 21
k 0 e 310 R E2 k 0 e 300 R
E 2 300 310
e 7 R 300 310
气固相催化反应本征动力学
例如：有如下一A反应 B R
A ArA kaApAV kdAA B BrB kaBpBV kdBB A B R r kSAB kSRV R RrR kdRR kaRpRV 其中V为表面空白活性位，且 V＝1－A B R
完整版化学反应工程课件
❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子 型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定 的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸 出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物 料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随 着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时 间。
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应
间歇过程
❖按照操作方法分 连续过程 （平推流，全混流，中间型）
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和 质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自 动控制水平相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
- 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)。
共沉淀法
• 多个组分同时沉淀（各组分比例较恒定， 分布也均匀）
合成甲醇 CuO-ZnO-Al2O3
Cu(NO3) 2 Zn (NO3) 2 Al (NO3) 3 溶液
Na2CO3
三元混合氧 化物沉淀
沉淀时沉淀剂的选择
• 易分解挥发除去（氨气，氨水，铵盐，碳 酸盐等）
• 形成的沉淀物便于过滤和洗涤（最好是晶 型沉淀，杂质少，易过滤洗涤）
ra rd
A 2 2A1
2
pA
1A
A
K A ka kd （吸附物发生解离）
吸附速率ra为：ka pA (1 A )2
脱附速率为rd：
kd
2 A
达到吸附平r衡a 时rd
ka
pA (1 A )2
k
d
2 Aห้องสมุดไป่ตู้
A
1
K A pA K A pA
活化还原
负载型金属催化剂
浸渍法的原理
• 活性组份在载体表面上的吸附 • 毛细管压力使液体渗透到载体空隙内部 • 提高浸渍量（可抽真空或提高浸渍液温度） • 活性组份在载体上的不均匀分布
浸渍法的优点
• 可用已成型的载体（如氧化铝，氧化硅， 活性炭，浮石，活性白土等）
• 负载组份利用率高，用量少（如贵金属）
• 沉淀剂的溶解度要大（这样被沉淀物吸附 的量就少）
• 沉淀物的溶解度应很小 • 沉淀剂无污染
共凝胶法
• 两种溶液混合而生成的凝胶
喷涂法和滚涂法
•将催化剂溶液用喷枪或其他手段喷射于载体上而制成 •的，或者将活性组分放在可摇动的容器中，再将载体 •加入，经过滚动，使活性组分黏附其上而制成
热熔法
将主催化剂及助催化剂组分放在电炉内熔融后， 再把它冷却和粉粹到需要的尺寸
对于多组分吸附，同理推导出：
i
过量浸渍法
• 将载体浸入过量的浸渍溶液中（浸渍液体 超过可吸收体积），待吸附平衡后，沥去 过剩溶液，干燥，活化后再得催化剂成品。
等体积浸渍法
• 将载体与正好可吸附量的浸渍溶液相混合， 浸渍溶液刚好浸渍载体颗粒而无过剩。
• 预先测定浸渍溶液的体积 • 多活性物质的浸渍 • 浸渍时间
多次浸渍法
• 重复多次的浸渍、干燥、焙烧可制得活性 物质含量较高的催化剂
pA
1A
A
K A ka kd
吸附速率为：
ra ka pA (1 A )
脱附速率r为d ： kd A
达到吸附平衡ra 时 rd
ka pA (1 A ) kd A
A
K A pA 1 K A pA
当为低覆盖率时K ，A p A 1
A K A pA
三、催化剂的性能
1. 活性 催化剂用量少，转化物料量大； 对于强放热反应，过高的活性不好，容易导
致“飞温” 2. 选择性 选择性意义很大，催化剂的选择性比活性要
求更高 3 寿命 失活 局部高温：活性组分挥发、结晶变化、
比表面积 减小 中毒：被杂质所覆盖（S,Se、p、C）
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
第五章 催化剂与催化动力学基础
• 本章主要内容：
• 1 催化剂的概述（催化剂的组分，制备方法 及催化剂的性能）
• 2 催化剂的物理结构（催化剂表面的吸附特 征及规律；催化剂的比表面积和孔容及孔 径分布）
• 3 气-固相催化反应动力学（本征动力学和 宏观动力学、失活动力学）
• 4 非催化气固相反应动力学（略）
将催化剂的各个组分制成浆状，经过充分混 合后干燥而成 设备简单，操作方便，产品化学组成稳定 （球磨机、拌粉机） 分散性和均匀性较低
湿混法
• 固体磷酸催化剂（促进烯烃聚合、异构化、 水合、烯烃烷基化、醇类脱水）
100份 硅藻土
300份 磷酸 磷酸负载于
硅藻土
混合
石墨 30份
烘 干
成型、焙烧
固体 磷酸
• 可避免多组分浸渍化合物各组分竞争吸附
沉淀法和共沉淀法
在充分搅拌的条件下，向催化剂的盐类溶液中加入沉淀剂， 即生成催化剂的沉淀
金属盐溶液
NaOH(Na2CO3)
沉淀
活
洗涤 干燥 焙烧 研磨 成型
化
• 温度、溶液及沉淀剂浓度、Ph值、沉淀剂的种类、加催入化剂 的速度、搅拌速度和沉淀的放置时间都会影响生成的催 化剂颗粒的大小和粒径分布
第五章 催化剂与催化动力学基础
有关催化剂和催化作用的知识： （1）催化剂改变反应速率，在反应前后本身不发
生变化（定义）； （2）催化剂又称为触媒； （3）催化剂既不是反应物也不是产物； （4）根据过渡状态理论，催化剂是靠降低反应的
活化能来加快化学反应速度的； （5）不能改变化学平衡和反应热； （6）催化剂具有选择性，只能加速某一种反应
干混法
• 锌锰系脱硫催化剂（合成氨厂的原料气净 化，脱除其中含有的有机硫化物）
锌-锰-镁 脱硫催化剂
碳酸锌
氧化镁 机混
二氧化锰
350 oC分解 焙
碳酸锌
烧 喷球
焙烧
脱硫 催化剂
浸渍法
• 将载体放进含有活性物质的液体中浸渍
载体（如Al2O3）的沉淀 洗涤干燥 载体的成型 用活性组份浸渍 干燥 焙烧分解
(1) langmuir吸附 假定：① 均匀表面 ② 单分子吸附
③ 被吸附分子间不相互影响，也不影响别的分子的吸 附 ④ 吸附机理相同。
表面覆盖率：固体表面被吸附分子覆盖的分率。 不同吸附物种的吸附分率与未被吸附的活性位分率之和
为1 在吸附的过程中，同时存在吸附和脱附，最后达到动态
平衡
A A
5.1 催化剂 一、 催化剂的组分
活性组分 助催化剂 载体 活性组分 活性组分的作用是催化作用，通常是金属或金属氧 化物，例如：铁、铜、铝及其氧化物 助催化剂
助催化剂本身基本没有活性，但能够提高催化剂的 活性、选
择性、稳定性和机械强度等 载体
载体的作用是承载活性组分和助催化剂，是负载活 性组分和
5.1 催化剂 二 、催化剂的制备 1 混合法
温度范围
低A
高A ka
kd
物理吸附的研究可以用于测定表面积及微孔尺寸，而化学吸附的研究用于测定活 化中心的面积，及阐明反应动力学规律
5.2.2.吸附等温线方程式 等温条件下，研究气体吸附量（表面覆盖率）与压力 的关系。
吸附模型有（1） langmuir型吸附；（2）Freundlich 型、（3）Temkin型和（4）BET型