化学反应动力学3

1、化学反应动力学化学反应动力学王王 丽丽 动力学方法与反应机理动力学数据的测定 反应器 全混流全混流 柱塞流柱塞流速率方程和拟定机理的实例 SO2+O2SO3*2*2O33322SOSOSOSOOO产物脱附表面反应氧的解离吸附rPKPPBPABPAPKPPPPPkPPkrPPPPPPkPkrSOOSOSOSOSOOSOSOSOOOSOSOOOSOSOSOOOSOSOSOSOSOOOOOSOSO32/1233332/123332/122/12332/122/123332/122/12333332/122/122/122/120303111机理研究的动力学方法动力学参数的选择速率常数和吸附平衡常数为

2、正值速率常数的温度系数为正，吸附平衡常数的温度系数为负速率常数和吸附平衡常数分别服从Arrhenius和Vant Hoff定律，活化能和指前因子为正同系物进行同一反应，吸附平衡常数在相近的温度时有相似的数值动力学研究中常用的方法压力测定法A+BCA,B分压相同转化率趋于0程序升温技术过渡应答对于达到稳定状态的反应体系进行扰动，如突然改变压力、温度、浓度等，然后该体系会重新形成新的平衡。L-H L-H 机理机理, ,表面反应控制表面反应控制吸附机理吸附机理实际过程中动力学方程推导实际过程中动力学方程推导颗粒内部结构图颗粒内部结构图12：反应物分子从气流中向催化剂表面（外扩散外扩散）和孔内扩散（内

3、扩散内扩散）；3： 反应物分子在催化剂内表面上吸附（反应物反应物的化学吸附的化学吸附）；4： 吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用或与气相分子作用进行化学反应（吸附分子吸附分子的表面反应或转化的表面反应或转化）；5： 反应产物从催化剂内表面脱附（产物的脱附产物的脱附或解吸或解吸）；67：反应物在孔内扩散（内扩散内扩散）并扩散到反应气流中（外扩散外扩散） 。多相催化的基本反应步骤：多相催化的基本反应步骤：外扩散控制的识别外扩散控制的识别气流线速增加，表观速率增加 保持空速或停留时间不变，线速增加对转化率的影响。提高线速，转化率增加，外扩散控制随温度升高，反应物转化率并不显著增加总反应过程为一级

4、过程催化剂用量不变，颗粒减小，转化率有所增加测定的表观活化能低412kJ/mol外扩散控制外扩散控制识别识别表观速率与催化剂粒度成反比 颗粒越小、反应速率越大表观活化能接近低温测定的真实活化能的一半增加停留时间，表观活化能不受影响内扩散控制识别内扩散控制识别由于各个反应过程的阻力不同，所以影响因素也不同。（1）温度效应对于化学过程影响较大；对于物理过程影响较小。通过改变温度来判断反应的控制步骤是化学过程还是扩散过程。化学过程扩 散过程反 应温度速 度常 数催化反应控制阶段的判别催化反应控制阶段的判别（2）气流线速效应对化学过程影响较小；对物理过程（外扩散外扩散）影响较大。化学 控制外 扩 散控

5、制线速 度（接 触时间 不 变）速 度常数内 扩 散控制3）催化剂粒度与孔径效应 孔径效应：孔径效应：孔径越大对内扩散的影响越小。孔径越大对内扩散的影响越小。 粒度效应对内扩散影响明显；对外扩散、化学反应的影响较小。外扩散控制催化剂粒度速度常数内扩散控制对于一个特定的反应来说，控制步骤会因条件的不同而产生变化。如：温度速度扩散控制区动力学区过渡区 改变线速，以消除外扩散； 改变粒度，以消除内扩散； 提高温度，以加快反应速度。固定床反应器固定床反应器 气固气固/ /液固反应液固反应外扩散外扩散消除消除釜式反应器釜式反应器 液固液固/ /气液反应气液反应外扩散控制外扩散控制消除消除高温下进行！高温

6、下进行！气固气固/ /液固液固/ /气液反应气液反应内扩散控制内扩散控制消除消除高温下进行！高温下进行！扩散与反应气固相催化反应过程中的浓度分布 上节讨论的是固体催化剂表面上的化学动力学，即微观或本征动力学。本节着重讨论物理过程(包括气固相之间和固相内的质量传递）对催化反应速率的影响，即宏观动力学。 化学反应与温度差、传热有关（导热系数） rA=f（化学过程、传质、传热、流动状态）反应物在催化剂内的浓度分布如右图：产物的浓度分布与反应物的浓度分布正好相反。Rp0RpCA0CA0*CAsCAgCA反应物浓度径向距离滞流层催化剂：扩散层厚度扩散系数定律L:)(Fick0DLCCDrsdiff外扩散

7、指：主体扩散（湍流扩散）速度极快；滞流层扩散(分子扩散)速度很慢。单位催化剂上的扩散速度：外扩散控制的动力学方程外扩散控制的动力学方程外扩散控制的动力学方程外扩散控制的动力学方程外扩散下控制动力学方程外扩散下控制动力学方程 外扩散外扩散对对反反应影响与应影响与反应反应级数相关级数相关随着Da增加而降低（n0）随着Da增加而增加 （n0）反应级数越高，外扩散影响越显著 外扩散对连串反应影响外扩散对连串反应影响传质系数相等传质系数相等A1A2A3k1k2表面浓度表面浓度外扩散对连串反应影响外扩散对连串反应影响外扩散降低外扩散降低选择性！选择性！A1A2A3k1k2反应瞬时选择性反应瞬时选择性外扩散

8、没有影响时外扩散没有影响时外扩散对平行反应影响外扩散对平行反应影响A1A1A2A2k k1 1A1A1A3A3k k2 2瞬时选择性瞬时选择性外扩散对平行反应影响外扩散对平行反应影响， 0 0, , 外扩散使得反应选择性降低外扩散使得反应选择性降低 0 0, , 外扩散外扩散使得反应使得反应选择性提高选择性提高 = = ， = = 0 0, , 外扩散外扩散使得反应选择性降低使得反应选择性降低没有外扩散时没有外扩散时扩散系数层流边界层厚度外扩散下控制动力学方程外扩散下控制动力学方程 由于反应组分的扩散过程与催化剂表面上的反应是同时进行的，所以，内表面是不等效的。存在着内部物质传递的效率问题。内

9、扩散有三种：体相扩散孔半径大于分子的平均自由程时的扩散（在大孔中发生，孔经100nm）。努森扩散孔半径小于分子的平均自由程时的扩散（在过渡孔中发生，孔经1001.5nm）。构型扩散分子运动直径与孔经相当时的扩散（在k2, k1k2, 0 0, , 内扩散内扩散使得反应选择性降低使得反应选择性降低 ， k1k2, k1 0 0, , 内扩散内扩散使得反应选择性提高使得反应选择性提高无无内扩散影响时内扩散影响时 内内扩散对连串反应影响扩散对连串反应影响动力动力学区学区 ！ABCk1k2 反应瞬时选择性反应瞬时选择性内内扩散对连串反应影响扩散对连串反应影响扩散扩散区区 ！ABCk1k2 反应瞬时选择

10、性反应瞬时选择性内内扩散对连串反应影响扩散对连串反应影响ABCk1k2内内扩散对独立反应影响扩散对独立反应影响A AB + CB + Ck k1 1X XY + ZY + Zk k2 2烯烃和芳烃的混合加氢反应不受不受影响影响内表面利用率（催化剂效率因子）与宏观动力学方程由于内扩散与表面反应同时进行，在催化剂内各部分的反应速率是不一致的。当颗粒恒温时，单位时间内整个催化剂颗粒中的实际反应量（即反应速度r）,是小于按颗粒外表面反应组分浓度（CAS）, 和整个催化剂内表面积（Si）计算的反应量（即理想的反应速率ro）。SiCKsfdSCKsfrrASSiAoA)()()(0Ks 按单位表面积计量的

11、反应速度常数；f(CAS)按 CAS计算的动力学方程中的浓度函数。实际的反应速度关键的问题是求催化剂效率因子，求的方法：等温时，根据物料平衡、动力学方程，建立数学模型，求出；非等温时，从物料衡算和热量衡算求解。r = ro均匀中毒 毒物分子均匀地分布在孔内表面引起的中毒 剩余活性分数 Fh1很小，活性随着毒物覆盖分数增加而线性降低h1很大，活性随着毒物覆盖分数增加而降低小一些)tanh() )1(tanh()1()1(2)tanh(111111110221hhFhhrDklhhlhCDrr扩散对扩散对催化剂中毒的催化剂中毒的影响影响均匀中毒均匀中毒孔口中毒孔口中毒h=10h=10h h=100=100扩散对扩散对催化剂中毒的催化剂中毒的影响影响毒物分子与催化剂少碰撞就吸附在催化剂表面孔口处内表面完全中毒，孔深处清洁清洁扩散对扩散对催化剂中毒的催化剂中毒的影响影响- -孔口中毒孔口中毒)tanh()1 (tanh()1 (tanh11