反应工程基础教学课件：第十一章 气-固相催化反应过程

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1、32长沙学院教案（课时备课）授课日期2007年12月7日第36次课2学时教学课型理论课课目、课题第十一章气-固相催化反应过程教学目的和要求1、了解气-固相催化反应的动力学模型；2、熟悉内、外扩散对气-固相催化反应的影响。重点难点重点：内、外扩散对气-固相催化反应的影响。难点：气-固相催化反应的动力学模型。教学内容教学方法教学手段师生互动时间分配板书设计第一节气-固相催化反应动力学…………………………2学时一、概述1、多相系统的特征2、多相系统中的反应类型3、气-固相催化反应过程二、表面反应动力学模型1、表面

2、反应控制2、组分的吸附控制3、产物的脱附控制三、外扩散的影响1、效率因子法2、表观动力学法四、内扩散的影响1、内扩散效率因子2、内扩散效率因子的影响因素教学方法、手段：师生互动：采用多媒体与板书相结合教学。作业布置阅读教科书相关内容。主要参考资料1、温瑞媛等编著，《化学工程基础》，北京大学出版社，2002年。2、杨国泰，杨继红等编《化学工程基础学习指导》，化学工业出版社，2003年。3、李德华编《化学工程基础》，化学工业出版社，2000年。课后自我总结分析此部分内容比较抽象，应该引导学生在理解的基础上对重点

3、内容加以记忆。32第十一章气-固相催化反应过程教学要求：了解气-固相催化反应的动力学模型及反应器热稳定性的判断方法、可采取的措施,熟悉内、外扩散对动力学模型的影响、固定床催化反应器的类型及有关计算、固体流态化的特点及流化床反应器的设计计算。掌握可逆简单反应最佳温度的确定方法。本章重点：固定床催化反应器的有关计算，流化床反应器的设计计算，可逆简单反应最佳温度的确定。本章难点：可逆简单反应最佳温度的确定。§1气-固相催化反应动力学实际生产中，多数化学反应是在多相系统中进行的，如合成氨、乙烯氧化为环氧乙烷、乙炔与

4、氯化氢合成氯乙烯、苯氯化、苯氧化为顺丁烯二酸酐等均属此类。一、多相系统的特征系统中同时存在两个或两个以上的相态，在发生化学反应的同时，也发生着相间和相内的传递现象，主要是质量传递和热量传递。如果这些传递现象不存在，那么就不可能发生化学反应。二、多相系统中的反应类型：(1)在两相界面处进行反应所有气-固相反应或气-固相催化反应。32(2)在一个相内进行反应大多数气-液反应，进行反应的相叫做反应相。(3)在两个相内同时发生反应某些液-液反应。本章中着重讲述气-固相催化反应，并讨论定量处理的方法。三、气-固相催化

5、反应过程对气相不可逆反应，其具体步骤为：(1)反应物A由气相主体扩散到催化剂外表面（外扩散）；(2)反应物A由外表面向孔内扩散，到达可进行吸附/反应的活性中心（内扩散）；(3)A在催化剂表面被吸附；(4)A在表面上反应生成R；(5)产物R自表面脱附；(6)产物R由内表面扩散到外表面（内扩散）；(7)R由催化剂外表面扩散到气相主体（外扩散）。步骤(1)、(7)属外扩散。步骤(2)、(6)属内扩散(孔扩散)，步骤(3)～(5)属表面反应过程。上述七个步骤中，速度最慢的一步为控制步骤。由于扩散的影响，气相主体反应

6、物的浓度、催化剂外表面上反应物的浓度及催化剂颗粒中心反应物的浓度将是不一样的，且，为反应物A的平衡浓度。对于反应产物，其浓度高低顺序相反。321-1表面反应动力学模型如果气体速度足够大、催化剂颗粒足够小，则内、外扩散的影响可忽略，催化反应速率仅由反应物吸附、反应和产物脱附等最慢的一步控制。一、表面反应控制1、不可逆反应设反应按如下机理进行：的吸附：(a)的吸附：(b)表面反应：(c)产物的脱附：(e)产物的脱附：(f)为催化剂表面的吸附中心，(c)为控制步骤，则有式中：、——催化剂表面被反应物、覆盖的分数；

7、——表面反应速率常数。将兰格缪尔吸附等温式代入得：式中：——组分的吸附平衡常数；——组分的分压。——反应速率常数，。2．可逆反应对，同理可得：32式中：——正反应速率常数，；——化学平衡常数，。二、组分的吸附控制对可逆反应，设其表面反应为其余反应物的吸附和产物的脱附步骤与前面相同，组分的吸附为控制步骤。经过与前面同样的推导可得:式中：——反应物的吸附平衡常数，；、——表面反应、化学平衡常数，，。三、产物的脱附控制设可逆反应的反应机理为:（1）（2）（4）（3）则以产物的脱附(4)为控制步骤的反应速率为：因为

8、第（1）～（3）步都达到了平衡，故有32，由可得：又所以则式中：；；。除了这些双曲线型的速率方程外，还有幂函数型的速率方程，一般速率方程都要通过实验来确定。1-2外扩散的影响一、效率因子法1、外扩散效率因子：或式中：、——催化剂颗粒表面温度下及气流主体温度下的反应速率常数;、——分别为反应物在催化剂颗粒表面及气流主体的浓度。2、反应速率与传质速率对简单不可逆反应，催化剂表面的反应速率为32而反应物A由气相主体向颗