作品说明书题目：气固催化反应的控制步骤及其对反应速率影响的消除

1、作品说明书题目：气固催化反应的控制步骤及其对反应速率影响的消除小组成员：张嘉兴、拥鑫、刘煜、刘彦聪中国石油大学（北京）化工学院指导老师：蓝兴英1 综述作为一名化工专业的学生， 一名未来的化学工程师， 化学反应工程是一门必须熟练掌握的课程。就整个化工过程而言，化学反应在其中占据最重要的位置，是一切生产过程的最基本出发点。所以学好化学反应工程这门课非常重要。但化学反应工程也是一门比较抽象， 比较难于理解的学科。 在学习的过程中，我们很多时候是利用前人做实验得出的结论及总结成的公式进行学习。 然而，通过讲解和理论推导很难想象出具体的过程， 这使得学生在学习理解的过程中遇到很多困难。能否用一种更加形象

2、具体的方法来描述这个过程呢？基于此目的， 我们组通过制作一个介绍视频， 向大家展示气固催化反应的进行过程 （从扩散到反应再到扩散），以及内外扩散控制产生的原因及消除其对反应速率的影响的方法。2 气体反应分子的扩散过程及受到的阻力对于气固催化反应， 气体反应物分子要经过扩散过程， 首先通过固体催化剂表面的滞留层， 然后穿过催化剂的内部孔道， 再吸附到催化剂内部孔道表面的活性中心上进行反应。气体分子在穿过催化剂表面的滞留层， 扩散到催化剂外表面的过程中， 会受到滞留层阻力的影响， 因此催化剂内部的气体反应物浓度低于气相反应物主体的浓度，此阻力称为外扩散阻力； 同样地，反应物分子在从催化剂表面扩散到

3、催化剂内部活性中心的过程中会受到另一种阻力的影响， 因此催化剂内部气体反应物浓度也会低于气体主体浓度， 此阻力我们称为内扩散阻力； 另外，气体分子在活性中心上反应的过程也会因为温度等原因，有不同的反应速率。若总反应过程由一系列快慢悬殊的连续步骤组成，总反应速率就取决于其中最慢的一步， 即控制步骤。 气固催化反应就是这样一个过程， 当上述的三种影响反应速率的因素分别占据主导时， 其对应的控制步骤就分别称为外扩散控制， 内扩散控制和化学反应控制。3 作品内容介绍我们假设所选的催化剂为圆球形催化剂， 通过对催化剂进行剖切， 作出催化剂的剖视图，根据实际的催化剂内部图像， 利用曲线线条做出催化剂内部的

4、孔道图，活性中心颗粒镶嵌在催化剂的孔道内壁上。 利用不同颜色的球形， 以图像组合的方式表示反应物和产物。利用 Flash软件，把反应物分子从气相主体到催化剂内部活性中心的扩散路径描述出来，同时分步骤描述出各个阻力产生的位置。 在内外扩散阻力消除的过程中，外扩散的消除方式是增大气速。 在增大气速的过程中， 以滞留层的厚度变薄与内部气相浓度增加的方式来表现外扩散过程的消除。 内扩散消除的方法是减小催化剂的粒径， 以随着粒径减小， 催化剂内部反应物浓度增加的动态过程表现内扩散阻力的消除； 对于反应控制的过程， 通过改变反应物的温度来改变反应速率。4 作品的创新点1）在已有的理论基础上，通过动画的形式

5、来描述气体分子从气相主体扩散到催化剂内部通道的活性中心上的过程。 与课堂上老师用语言描述或者通过图片描述的过程相比，更能生动形象地表现扩散的过程，将静态的图片赋予动态感，更易理解。2）在描述消除扩散过程方法时，传统的方法是利用理论阐述。以外扩散为例：如阐述流速与外扩散有效因子的关系，多是利用实验数据， 做出流速与外扩散有效因子在不同反应级数下的图像，以此来描述流速对外扩散的影响。而我们组是通过 Flash软件，将流速改变过程中滞留层厚度的变化及催化剂内部气体浓度的变化结合起来，形成一个动态连续的过程，便于理解。3）同时配有语言讲解， 方便同学们理解记忆。 另外，老师在上课的过程中，再结合课件进

6、行讲解， 可综合新型课件与传统教学模式的优势，加深同学们对所学内容的理解和掌握。5 应用举例1）我们组的作品可以作为教师的课件使用，其中含有的大量gif 素材也可以直接插入其他课件当中， 既有理论推导又有动画演示， 能对老师的教学起到很好的辅助作用。2）现在很多学校推广网络课堂，我们组的作品可以作为网络课堂教学视频中的一部分内容，突破传统教学的模式。3）可以作为课前预习的材料。学生可以利用我们的作品进行课前预习，更好地理解气固催化过程及消除内外扩散的方法，为上课做准备。6 后续的想法及目标我们本次做的作品是通过二维动画的形式来向大家展示扩散的过程， 后续可以利用 3D 的形式。以反应物为第一视角来表现反应物分子在整个催化反应过程中的扩散路径，这会使内容描述清晰程度与美感都得到提升。 3D 的展示过程更加接近实际情况，能让大家更好地理解。最终的目标是实现画面可控， 即将整个扩散反应的过程进行编程实现， 在改变外部条件时可以实现控制步骤的转变， 可以更好地阐述不同外部条件对扩散过程的影响程度及消除内外扩散控制的方法的