催化反应动力学及固定床反应器

1、催化反应动力学及固定床反应器第1页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一Content第一节 催化反应动力学1.1 气固相催化反应过程1.2 吸附过程1.3 表面催化反应速率1.4 本征动力学方程的实验测定第二节 固定床催化反应器2.1 固定床反应器分类2.2 固定床反应器的数学模型2.3 固定床反应器实例第2页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一1.1 气固相催化反应过程气相物料通过与催化剂相接触，并在催化作用下，使化学反应速率加快。气固相催化反应发生在气固相接触的相界面上，气固相接触的相界面积越大，进行的反应速率也就越快。催化剂采用多孔结构，颗粒的内表面积

2、比外表面积大很多，可忽略外表面积的影响。3第3页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一气固相催化反应进行的过程(7)反应物ACAG气膜微孔载体反应表面颗粒外表面气相主体产物CBGCBS(3)(4)(5)CACAS(6)第4页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一5气固催化反应过程相界面是指多孔催化剂颗粒的内表面，化学反应主要在催化剂的孔道内表面上进行。第5页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一设有气固相催化反应： A 和 B 从气相主体扩散到达颗粒外表面； A 和 B 从颗粒外表面扩散进入颗粒内部； A 和 B 被催化剂内表面的活性位吸附，成为

3、吸附态 的A 和 B；6气固相催化反应的 7 个步骤第6页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一 吸附态的A 和 B在催化剂内表面的活性中心上发 生表面化学反应，生成吸附态 C和D(产物)； 吸附态 C 和 D 脱附成为自由的 C 和 D； C 和 D 从颗粒内部扩散到达颗粒外表面； C 和 D 从颗粒外表面扩散到达气相主体。以上七个步骤是前后串联的。 7第7页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一（1）外扩散 （2）内扩散（3）吸附（4）表面反应（5）脱附（6）内扩散（7）外扩散气固相催化反应的 3 个过程外扩散过程内扩散过程表面反应过程第8页，共61页，20

4、22年，5月20日，2点40分，星期一外表面内表面1.外扩散2.内扩散 3.化学反应（1）（2）（3）吸附反应脱附气固相催化反应本征动力学的理论基础是化学吸附理论气膜第9页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一2.气固相催化反应的控制步骤气固相催化反应过程进行的七个步骤，其速率是各不相同的，其中速率最慢的步骤称为控制步骤。控制步骤的速率决定实际反应所达到的速率，决定了整个宏观反应的速率。控制步骤速率等于气固相催化反应过程速率。10第10页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一如控制步骤是一个扩散过程，则称为扩散控制，或称传质控制。如控制步骤是吸附、表面反应或脱附

5、过程，则称为动力学控制。动力学控制又可分为吸附控制、表面反应控制和脱附控制。如七个步骤速率相当，则没有控制步骤。这时应综合考虑传递和反应对宏观速率的影响。大多数情况下，采用控制步骤的方法来处理气固相催化反应过程速率问题是适宜的。第11页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一1.2 吸附过程气固相催化反应的表面反应过程由吸附、脱附、表面反应步骤组成。气体在固体表面上的吸附可分为物理吸附和化学吸附。1.物理吸附吸附剂与被吸附物靠分子引力 - 范德华力结合；12第12页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一2.化学吸附吸附剂与被吸附物之间可视为发生化学反应，是固体表面

6、与气相分子间的化学键力造成的。化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子共用或转移发生相互作用，使气相分子的结构发生了变化，降低了活化能，从而加快了反应速率，起到催化作用。化学吸附是吸附剂和被吸附物之间的电子转移或共用，因此二者之间有很强的选择性。13第13页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一物理吸附与化学吸附的比较14物理吸附化学吸附吸附剂所有固体物质某些固体物资选择性临界温度以下所有的气体某些能起化学变化的气体吸附温度通常低于沸点温度高于沸点温度吸附热8kJ/mol,很少超过被吸附物的冷凝热40kJ/mol接近反应热吸附速率吸附很快低温吸附慢,高温吸附快活化能活化能低, 4k

7、J/mol活化能高, 40kJ/mol可逆性高度可逆不可逆覆盖性多分子层单分子层第14页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一15(1)化学吸附速率的表达设气体A在催化剂内表面上被吸附，气相分压为 PA。活性中心：固体催化剂表面能够与气相分子发生反应的原子。以符号 表示。APAA第15页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一 吸附率化学吸附类似于化学反应，是一个可逆过程，可用下式表示反应物的气相分子在催化剂表面活性中心上的吸附：A反应物气相分子； 催化剂表面的活性中心或吸附点； A 吸附了反应物分子的活性中心。16第16页，共61页，2022年，5月20日，2点

8、40分，星期一A组分的吸附率或覆盖率 A：空位率或未被覆盖率 V： i - i 组分的吸附率 17第17页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一18 吸附速率式吸附过程可视为化学反应（基元反应），吸附速率与被吸附组分的气相分压和未被覆盖分率成正比：r a-吸附速率；pA -A组分在气相中的分压。第18页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一 脱附速率式脱附是吸附的逆过程，脱附速率与已被覆盖分率成正比：rd - 脱附速率；k d - 脱附速率常数。 吸附净速率(表观速率)19第19页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一(2)影响吸附速率 r a

9、的因素单位表面上的气体分子碰撞数在单位时间内气体分子和表面的碰撞次数越多，被吸附的可能越大。由气体分子运动论，碰撞次数 Z 为：吸附速率与分压成正比。20第20页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一吸附速率常数与吸附活化能 Ea化学吸附需要一定的活化能 Ea，只有能量超过 Ea 的分子才有可能被吸附。吸附速率常数为未被覆盖率 V未被 A 复盖的活性位分率表示气体A与空位的碰撞机率。21第21页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一(3)影响脱附速率的因素覆盖率 A 表面覆盖度越大，则已被吸附的分子脱附机率就越大；脱附速率常数与脱附活化能 Ed 能量超过Ed的分

10、子，占总分子数的分率为 22第22页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一23(4)吸附动态平衡和平衡常数 KA达到动态平衡时，吸附与脱附速率相等：上式称吸附平衡方程。第23页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一241.3 表面催化反应速率本征：无内外扩散影响，即单纯的反应物及产物在催化剂表面上进行吸附、脱附、反应的过程。在非均相反应过程中，没有物理过程(无扩散)影响的动力学表达为本征动力学。本征反应速率的形式：双曲型和幂数型。第24页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一251.3.1 吸附模型兰格缪尔(Langmuir)吸附模型该模型是理想

11、吸附模型，其基本假定： 催化剂表面活性中心的分布是均匀的，即催化剂表面各处的吸附能力是相同的；吸、脱附活化能与表面覆盖率无关；每个活性中心吸附一个分子，单层吸附；吸附分子间互不影响，不影响空位的吸附。第25页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一BET 吸附模型物理吸附模型。以兰格缪尔模型为基础推广到多分子层吸附情况。26第26页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一271.3.2 表面化学反应目的：定义被吸附在催化剂活性中心上的反应物之间的反应速率。将被催化剂活性中心吸附的反应物之间进行的化学反应通常被认为是基元反应，其速率表达符合质量作用定律。kSkS第27

12、页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一正反应速率：逆反应速率：表面反应速率：当达到平衡时：28第28页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一291.3.3 双曲线型本征动力学方程豪根-瓦特森 (Hougen-Watson) 模型的基本假定：吸附、反应、脱附三个步骤中必有一个最慢，此步骤被称为控制步骤，代表了本征反应速率；除控制步骤外的其它步骤均处于平衡状态；吸附和脱附都用Langmuir吸附模型描述。第29页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一对于一个反应过程，反应式为：设想其机理步骤为： A 的吸附过程 表面反应过程 R 的脱附过程30第3

13、0页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一各步骤的表观速率方程为：A的吸附速率表面反应速率R的脱附速率其中：31第31页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一32 两种活性中心的吸附机理和动力学方程如果存在两种活性中心参与吸附，分别仅吸附A和B，此时表面反应的机理为：第32页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一对两类活性中心分别有：第一类活性中心有： 速率式 平衡式33第33页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一第二类活性中心有： 速率式 平衡式表面反应： 速率式 平衡式34第34页，共61页，2022年，5月20日，2点40

14、分，星期一35求取气固相催化反应本征动力学的方法：1.将吸附、反应、脱附各步骤写清楚；2.依质量作用定律写出反应、吸附、脱附速率式；3.非控制步骤达到平衡，设平衡常数；4.从平衡各式中解出，代入到非平衡式中；5.最后的结果中，只出现控制步骤的速率常数、平衡式平衡常数及各组份的分压。第35页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一36用途：建立动力学方程的骨架，确立动力学方程的基本型式，为在实验上得到动力学参数做准备。方程中的各 K 为待定参数。通过实验筛选合适的模型（模型识别），模型识别后通过进一步的实验确定模型参数（参数估值）得到满意的动力学模型。第36页，共61页，2022年

15、，5月20日，2点40分，星期一371.4 本征动力学方程的实验测定确定本征动力学重要的是消除内外扩散的影响。1.外扩散影响的消除改变通过催化剂床层气体的线速度，减小气膜阻力。当气体线速度对反应动力学无影响时，认为消除了外扩散的影响。第37页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一38外扩散影响的检验x A无外扩散阻力影响W/FA0-W2-W1第38页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一2.内扩散影响的消除改变催化剂的粒度,检验内扩散是否存在。将催化剂破碎，当用不同粒度的催化剂颗粒测定的动力学数据一致时，即粒度大小对转化率无影响时，可认为消除了内扩散的影响。39

16、第39页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一内扩散影响的检验40 x AbdP有内扩散阻力无内扩散阻力(W/FA0)一定第40页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一41在消除了内外扩散的影响后，通过实验室反应器测定动力学数据，利用实验数据进行模型识别和参数估值得到动力学方程。利用统计学原理进行检验。目前测定动力学数据的有效工具为无梯度反应器。所谓无梯度，意为既没有温度梯度，又没有浓度梯度。利用循环反应器的原理设计。第41页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一第二章 固定床催化反应器凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作

17、固定床反应器，其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占最主要的地位。如炼油工业中的催化重整，异构化，基本化学工业中的氨合成、天然气转化，石油化工中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯等等。此外还有不少非催化的气固相反应，如水煤气的生产，氮与电石反应生成石灰氮(CaCN2) 以及许多矿物的焙烧等，也都采用固定床反应器。第42页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一固定床反应器优点固定床中催化剂不易磨损；床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。由于停留时间可以严格控制，

18、温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率，在大生产中尤为重要。 第43页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一 固定床反应器缺点 固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行。 第44页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一1 绝热式反应器 反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。结构简单，床层横截面温度均匀，优先考虑采用。但只适用于热效应不大的反应。对于热效应稍大而又希望采用绝热式反应器的情况，常把催化剂床层分成几层，层与层之间用间接冷却或用原料气冷激，以控制反应温度在一定的范围内 。2.1 固定床反应器分类第45页，共6

19、1页，2022年，5月20日，2点40分，星期一第46页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一2 对外换热式反应器当反应的热效应较大而不宜再采用绝热式反应器时，常用对外换热式固定床反应器。这类反应器大多类似于列管式换热器，故又称为列管式固定床反应器。催化剂装在列管中，而传热介质则在壳程中流动，将床层反应放出的热量移走。列管式固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层体积具有较大的传热面积，可用于热效应中等或稍大的反应过程。反应器由成千上万根单管组成。一根单管的反应性能可以代表整个反应器的反应效果，因而放大设计较有把握，在实际生产中应用比较广泛。第47页，共61页，2022年，5月

20、20日，2点40分，星期一第48页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一3自热式反应器用反应放出的热量预热新鲜进料，达到热量自给和平衡，其设备紧凑，可用于高压反应体系。但其结构较复杂，操作弹性较小，启动反应时常用电加热。 第49页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一最常用的固定床反应器的数学模型 是一维拟均相活塞流模型。一维：只考虑流动方向上的浓度与温度变化。拟均相：对于多相催化反应，认为流体主体与催化剂颗粒表面与内部不存在浓度差温度差。将传递过程的影响归于一个催化剂活性校正系数。活塞流：流体在固定床内的流动状况与活塞流十分接近，因之可采用活塞流模型。 2.2

21、 固定床反应器的数学模型第50页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一反应器设计过程中使用的宏观动力学方程是用本征动力学方程与催化剂活性校正系数的乘积代之。催化剂活性校正系数校正的内容有： 外扩散的影响、内扩散的影响、催化剂中毒情况、催化剂还原情况、催化剂的衰老情况等。根据该模型，即可建立固定床反应器的物料衡算方程与热量衡算方程。根据方程便可对反应器进行分析与计算。第51页，共61页，2022年，5月20日，2点40分，星期一多相反应系统的特点： 相间和颗粒内的传热和传质问题 床层的轴向和径向传递 化学反应动力学的非线性非线性微分方程组一般只有数值解，收敛也比较慢。通常需要合理简化方程组，有时甚至将方程组简化成一维的。注意：第52页，共61页，