反应工程课件第二章21cc.ppt

1）反应特点 （1）反应物和产物均为气体； （2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； （3）反应区在催化剂颗粒内表面。 2）反应步骤
反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和 化学反应过程组成的，反应分7步进行。
（1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； （2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔——内 扩散；
• 多种性能不同催化剂的开发促使同一产品在反应器、生产流 程甚至生产方法和原科方面都发生了根本性的变革，使产品 的投资、原料消耗等技术经济指标不断优化，同时环境污染 不断减少。在通常条件下难以获得的化学产品可以通过催化 作用实现工业生产，催化是现代化学工业的基石。
• 同一种反应物系，使用不同的催化剂可以得到不同的产品。 例如乙烯氧化使用银催化剂 可得环氧乙烧；乙烯氧化使用 钯系催化剂可得乙酸；但这两个过程的主要副反应都是深度 氧化生成二氧化碳和水。另一方面，使用同一系列的催化剂 ，也可使不同的反应物系发生催化作用。例如使用银系固体 催化剂，可使甲醇氧化制甲醛，乙醇氧化制乙醛，乙烯氧化 制环氧乙烷，乙二醇氧化制乙二醛。
• 催化反应可以分为均相催化和多相催化，反应在同相中进行 称为均相催化;反应在两相界面上进行称为多相催化。
2.1.2 固体催化剂 1) 固体催化剂的作用
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； (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。
（3）反应物在活性位上被吸附； （4）吸附态组分进行化学反应； （5）吸附态产物脱附。 （6）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； （7）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。 第1、7步称为外扩散过程，第2、6步称为内扩散过程，第 3、4、5步称为本征动力学过程。 在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的， 相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。
组成。
(1）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。
(2）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、选择性和稳定性。
(3) 载体 载体的主要作用是承载活性组分和助催化剂，
是负载活性组分和助催化剂的骨架。常用载体有： 氧化铝、二氧化硅、碳化硅、活性炭、硅胶、硅藻 土、沸石分子筛等。
4) 固体催化剂的物理性质 (1) 内表面积
固体催化剂内含有大小不等的孔道，形成巨大的内表面 积。颗粒的外表面积和内表面积相比很小，一般忽略不计。 催化反应主要在内表面上进行。
以比表面积 Sgcm2 / g 表征固体催化剂的内表面积大小。 比表面积是指每克催化剂内表面积之和。 (2)孔容 孔容是指每克催化剂内部孔道所占的体积，记作
2.1 催化及固体催化剂
2.1.1 催化反应 催化(Catalysis)的研究和发展对化学工业的变革起
着决定性的作用。18世纪到19世纪初期世界工业起步和发 展所需的基本化工原料如硫酸、氨和硝酸的生产，由于开 发了催化作用和研制了催化剂而发生了根本性的变革。 1831年研制了铂催化剂转化二氧化硫的接触法替代了铅室 法生产硫酸。1900年铂催化剂上进行的氮氧化反应取代了 硫酸和硝酸钠反应生产硝酸。1913年使用熔铁催化剂的氨 合成生产装置的开发带动了高压容器和压缩机的发展。 1923年采用锌铬催化剂使一氧化碳加氢合成甲醇取代了木 材干馏制甲醇。但由于低温下锌铬催化剂的催化作用低， 只能在350---420℃反应，较高反应温度下不利于甲醇合 成的热力学平衡，因此必须在25---30MPa高压下生产。 1966年铜基催化剂合成甲醇投产，可在220~270℃下反应， 相应压力可降至5MPa，节约了高压生产的能耗。
分均相催化和多相催化。 活性位（active site）理论
活性位理论
（1）反应物被分布在催化剂表面上的活性位 吸附，成为活性吸附态。
（2）活性吸附态在催化剂的活性位（活性表 面）上进行化学反应，生成吸附态产物。
（3）吸附态产物从催化剂活性位上脱附。
2) 固体催化剂的主要组成 固体催化剂一般由活性组分、助催化剂和载体
3) 宏观动力学 气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应
过程，称之为宏观动力学； 气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相
主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过 程速率的“总和”，称之为宏观反应速率或总体速率。
本章主要内容 讨论 气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内 容有以下几方面。 (1) 催化剂颗粒内气体的扩散； (2) 催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散 有效因子； (3) 宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。
溶液中加入沉淀剂，生成沉淀物。沉淀物经分Fra Baidu bibliotek、洗涤除 去有害离子，然后煅烧制得催化剂。
(3) 共混合法 将催化剂的各个组分作成浆状，经过充分的
混合(如在混炼机中)后成型干燥、煅烧而得。
(4) 熔融法 将催化剂的各个组份放在电炉内熔融后，再把
它冷却、粉碎、筛分，制得催化剂成品。
固体催化剂solid catalyst
第二章 气－固相催化反应本征 及宏观动力学
2.1 催化及固体催化剂 2.2 化学吸附与气－固相催化反应本征动力学模型 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气
体的扩散 2.4 内扩散有效因子 2.5 气—固相间热、质传递过程对总体速率的影响 2.6 固体颗粒催化剂的工程设计 2.7 固体催化剂失活
3) 固体催化剂的制备方法
最常用的催化剂制备方法有浸渍法、沉淀法、共混合法 和熔融法。
(1) 浸渍法 将载体放在含有活性组分的水溶液中浸泡，使
活性组分吸附在载体上。如一次浸渍达不到规定的吸附量， 可在干燥后再浸。如要将几种活性组分按一定比例浸渍到 载体上去，常采用多次浸渍的办法。
(2) 沉淀法 在充分搅拌的条件下，向含有催化剂各组分的