《多相催化动力学1-5章 北京化工大学ppt精选课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多相催化动力学1-5章 北京化工大学ppt精选课件（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1 多相催化反应动力学理论与实践 学时 40讲解 李建伟lijw 工业催化与反应器研究室综合楼517电话64436787 2 化学反应动力学建立与应用的引入 过程工程科学的核心理论三传一反 热量 质量 动量传递 反应 过程工程问题解决的基础条件 方向 限度 物理化学 热力学 速率 热质传递 化学反应等 化学反应动力学通式 过程源 汇项的解决 3 化学反应动力学如何获得 对于化学反应 A B C 基元反应幂律型方程 A B和C竞争吸附双曲型方程 非基元反应幂律型方程 A B和C竞争吸附双曲型方程 动力学参数k0 E nA nB Kj如何确定 4 涉及 解决的问题 多相催化的含义 动力学的概念
2、化学反应动力学内涵 化学反应动力学建立过程 实施方案 反应过程热力学分析 平衡 网络结构 催化剂性能考察 本体性能 附加性能 反应过程动力学特性分析 动力学实验设计 实施 动力学模型选取 建立及其模型参数估计 化学反应动力学模型适定性 可信性检验 5 课程目的掌握建立工程实用的多相催化反应动力学方程 模型 的原理和方法 建模 动力学模型建立 数据获取和模型识别等 催化剂制备与应用粉体制备 成型 催化剂工程设计 装填反应器 反应器分析与设计 多相催化的含义均相催化 多相催化 催化剂 反应物系与催化剂或反应物系间非同一物相 气 固 气 液 液 固 气 液 固 6 课程意义为催化剂性能改进 工艺过程
3、开发和反应器优化设计与操作提供重要的基础应用工具 课程特点系统性 理论与实践的结合性和工程实用性 实用性 技巧性 很强 以工业应用为目的 对数学 基本催化作用原理和计算机编程均有较高的要求 课程学习方法超大型作业和倒叙的方式 如何建立实用的动力学方程 7 课程安排 40学时 Chap1绪论 4小时 Chap2多相催化反应动力学基础理论 8小时 Chap3多相催化反应动力学实验研究 10小时 Chap4数据处理和动力学模型识别 6小时 Chap5非定态反应动力学 3小时 Chap6多相催化宏观反应动力学及其描述 3小时 Chap7多相催化反应动力学研究的实例分析 4小时 结课测验 2小时 课程考
4、核方式考试70 课程论文30 8 参考书1BertyJM Experimentsincatalyticreactionengineering Elesiver 19992SmithJM Chemicalengineeringkinetics 3th McGraw HillBookCompany 19813张继炎等译 贝伦斯M 霍夫曼H 林肯A著 化学反应工程学 中国石化出版社 19944李绍芬 化学与催化反应工程 化学工业出版社 19945朱炳辰 化学反应工程学 化学工业出版社 19986陈甘堂 化学反应工程学 化学工业出版社 19817李成岳译 马特路斯著 催化反应器中的非定态过程 科学出版
5、社 1994 9 1绪论 1 1化学反应动力学的概念 动力学含义 研究在一定推动力作用下 某个或数个具有特定物理含义的变量与其影响因素之间的相互关系 传递动力学 石头击水水波纹传递过程描述 气体动力学 飞机风洞实验 流体流动动力学摩擦动力学化学反应动力学等 10 化学反应动力学 定义 定量描述化学反应速率及其影响因素之间的函数关系 实际为有可能定量地描述化学反应随时间的变化对过程条件的依赖关系 影响因素 温度 压力 组分浓度 催化剂种类与浓度 传递过程 流动 扩散等 化学反应速率的表达 11 反应程度的概念 多相催化中常见的化学反应速率表达式 误区说明 化学反应速度 矢量 和化学反应速率 标量
6、 化学反应动力学的分类 本征动力学 微观动力学 化学动力学 宏观动力学约定 只要未特别说明 均指本征动力学 12 1 2多相催化动力学的研究内容 1 2 1化学反应速率定量关系的建立考察多相催化反应的速率变化规律 建立多相催化反应速率与反应条件 C P T等 之间的经验 半经验或理论关系 关系 给出定量的函数关系式 1 2 2化学反应图式或反应机理的印证动力学对机理的提出具有否定性判据效果 但无肯定性效果表观动力学方程 工程动力学 13 1 2 3化学反应动力学特征参数与热力学性质和物质结构特征的关系利用动力学的研究结果和物质结构理论 分析化合物结构与其反应能力之间的关系 建立多相催化反应体系
7、的动力学特征参数与其热力学性质和物质结构特征之间的经验或半经验关系 1 2 4基元反应速率常数的理论计算从理论上 即从量子化学及统计物理 计算基元反应速率常数 并对复杂反应给以定量描述 1 2 1 1 2 3已进行 1 2 4内容仅处于初级阶段 14 1 3常见的动力学型式 1 3 1幂律型 1 3 2双曲型 15 1 3 3分段型 16 1 3 4机理型朗格谬尔 Langmuir 吸附机理模型焦姆金 Temk N Ea Ed A 弗朗得里希 Freundlich Ea Ed ln A 由于缺乏对催化过程的足够认识 多数动力学方程都是半经验型的 如级数ni 0 784 是对实验数据的合理拟合
8、因此 外推能力很差 且同种催化剂 同种反应过程 因不同人 不同方式和不同时域获得的动力学方程会有相当大的差异 使用时一定要注意动力学方程的测试条件 现今多相催化动力学是一个实验性特强的工作 17 1 4化学反应动力学的应用 反应条件选取 选择性 平行 连串 催化剂改进方向 催化剂设计 催化剂工程设计 反应过程分析与优化 18 1 5非均相催化反应动力学涉及学科 催化剂制备与应用原料预处理 原粉制备 焙烧 成型 预活化 销售与使用 以金属催化剂为例 催化剂合成 制备 固体状态化学 表面胶体化学 无机化学 有机金属化学 催化剂表征 结构 性质 光谱 衍射 非均相催化动力学 反应动力学 宏观水平 反
9、应机理 微观水平 工程应用 19 1 6建立化学反应动力学的步骤 1 6 1对反应过程的认识热力学分析 热力学图式 方向 限度 可逆性 可能的反应产物 往往工艺开发分析中已经解决 1 6 2基本物料衡算关系化学反应计量学 化学计量独立反应 独立反应数和计量独立反应的选取 关键组分 加合性原则 相态变化 恒容 变容 相态 20 1 6 3实验装置和分析方法预备实验 计量标定等 1 6 4动力学图式的确定动力学独立数和动力学独立反应 1 6 5反应条件的确定考察的目的内外扩散检验 21 1 6 6实验设计单因素法 正交实验法 序贯法 均匀设计等 1 6 7实验数据处理 将采集量转化为常规表示 A
10、将实验获得数据 色谱 容量分析等 转化为常规 习惯 数据B 图 表给出数据细节 完整 C 根据需要给出图表 简化细节 D 动力学处理需要数据一次数据 实验获得的最原始数据 二次数据 A 三次数据 B 四次数据 C 五次数据 D 22 1 6 8动力学模型及参数估计 模型的选取 数值计算方法的确定 目标函数 数值方法 计算机程序等 估值参数的初步筛选 1 6 9动力学模型检验 与实验数据方面的检验 故意留一些不参与估值的数据 待模型估值后用以检验 物理化学准则检验 秩和检验 参差分布及F 或 2 统计检验工业应用检验 23 1 7小结 1 7 1化学反应动力学分类 化学反应动力学 宏观动力学 过
11、程动力学 传递过程 化学过程 吸附动力学 表面反应动力学 脱附动力学 内扩散 化学动力学 外扩散 化学动力学 化学动力学内扩散 外扩散 本征动力学 微观动力学 化学动力学 活化动力学 失活动力学 宏观失活动力学 常见本征动力学涵盖内容 稳 定 态动力学 瞬态动力学 24 1 7 2化学反应动力学模型建立方法 化学反应动力学模型建立 物种分析 GC MS等表征 网络结构判识 反应图式 热力学分析 动力学分析 实验装置测试方法与措施 催化剂性能考察 动力学测试区域 装置性能 实验技术 措施等 实验设计 实验安排 数据分析 动力学模型建立 动力学模型筛选 推导 参数优化估计 动力学模型检验 物理 化
12、学准则检验 统计检验 应用检验 25 26 化学反应动力学模型建立方法 化学反应动力学模型建立 物种分析 GC MS等表征 网络结构判识 反应图式 热力学分析 动力学分析 实验装置测试方法与措施 催化剂性能考察 动力学测试区域 装置性能 实验技术 措施等 实验设计 实验安排 数据分析 动力学模型建立 动力学模型筛选 推导 参数优化估计 动力学模型检验 物理 化学准则检验 统计检验 应用检验 27 多相催化反应动力学建立步骤 1 对反应过程的认识 2 基本物料衡算关系 3 实验装置和分析方法 4 动力学图式的确定 5 反应条件的确定 6 实验设计 7 实验数据处理 8 动力学模型及参数估计 9
13、动力学模型检验 28 2多相催化反应动力学基础理论 2 1催化剂基本组成及其催化特征2 1 1催化剂分类 主要分为四类 29 良好的催化活性 尤指低温活性 良好的选择性 较长的使用寿命 适宜的物理织构 Sg Vg 孔径分布 活性组分分布 形状 尺寸 较强的抗毒能力 较高的机械强度 不易磨损 破碎 2 1 2工业催化剂的使用要求 30 催化剂定义 参与反应 但反应前后的组成和特性不变 对正逆反应均等倍加速或减速 2 1 3工业催化剂的性质和特点 催化剂性能 直接性能 活性 选择性和稳定性 附加性能 强度 热稳定性和寿命等 31 32 2 1 4催化剂组成及各组分的作用 活性组分 金属类 半导体类
14、 酸碱类 绝缘体类 IIIV IVA和VA金属或非金属氧化物 卤化物等 助催化剂 助剂 1结构型助剂作用 增加主活性组分活性构造的稳定性和活性组分的比表面积 33 按作用机理分类 A 分隔 离 活性组分细小微晶 高熔点 难还原的氧化物比较适宜 B 与活性组分作用生成高熔点的化合物或固 熔 体 如Fe3O4中加入少量的Al2O3 结构助剂 2电子型助剂K2O Na2O 不改变催化剂本性 但改变活性组分电子结构 从而使反应分子的化学吸附能力和反应活化能发生变化 3扩散型助剂改善催化剂孔结构 造孔剂 如分子筛中加入有机酸等 织构结构 34 4毒化型助剂毒化催化剂某些有害的活性中心 如为防止结焦 可加
15、少量碱性物质毒化引起裂解生焦的酸性中心 载体作用 改变催化剂机械强度 导热性和热稳定性 增大活性表面和提高适宜孔结构 提供活性中心减少催化剂活性组分用量常见类型 起稳定剂和分散剂的作用 Al2O3 MgO 硅胶 硅藻土等 抑制剂 乙烯环氧化二氯乙烷的作用 35 2 1 5催化剂制备与各制备过程的作用 目的 1原粉制备 催化剂使用5个使用区域 原粉制备方法 1 浸渍法 载体放入活性组分溶液中 盐 碱 酸等 浸渍 2 共沉淀法 3 机械 混 共 合法 原料预处理 原粉制备 焙烧 成型 预活化 销售 36 4 沥滤法 骨架催化剂制备 骨架Ni 骨架Co 骨架Fe 骨架Cu 如Ni催化剂 将含Ni和A
16、l各50 的铝镍合金破碎 过筛后用20 NaOH溶液溶解Al 留下具有高比表面积的Ni 5 其它方法 热熔融法 电解法 粘结剂法等 2焙烧过程描述 焙烧目的 A 稳定催化剂组成和活性 使催化剂具有一定化学组成和稳定的活性 B 使催化剂具有 保持 一定的晶型 粒度大小 孔结构和比表面积 37 C 增强或减弱机械强度 使催化剂具有一定机械强度 焙烧过程变化 A 化学变化eg AgNO3 Ag 1 2O2 NO2 B 催化剂结构变化 C 颗粒变化 晶型转变等 eg 水软铝石转化为 Al2O3 D 孔结构变化 38 3成型 压缩成型 打片 挤出成型 挤条 转动成型 糖衣机 喷雾成型 喷雾干燥原理 其它成型方法 油中成型法 喷动成型 蜂窝及纤维催化剂成型 39 2 2吸附作用基本原理 2 2 1工业多相催化反应历程 以固体催化剂为例 动力学模型选定时应考虑的过程目的是获得动力学方程 但应首先清晰研究过程的目的 本征 宏观 对催化过程的认识是必须的 而吸附是发生多相催化反应的重要基础 催化剂 多孔介质 外表面积 多孔介质丰富的内部微孔 例如Ag催化剂上乙烯氧化制环氧乙烷C2H4 O2 C2H4O
