文档介绍：催化剂工程 Catalyst Engineering
东南大学化学化工学院化工系
第二章吸附作用与多相催化
多相催化的反应过程
吸附作用
固体吸附剂的表面模型
吸附平衡和吸附等温方程
催化剂的表面积和孔结构
吸附和催化反应过程中的溢流现象
1、多相催化的反应过程
多相催化反应步骤
外扩散:反应物分子从气流中向催化剂颗粒外表面扩散
(孔)内扩散:反应物分子从颗粒外表面向颗粒内表面扩散
吸附:反应物分子在催化剂内表面吸附
表面反应:吸附的反应物分子在催化剂表面上反应
脱附:产物分子自催化剂内表面脱附
(孔)内扩散:产物分子从颗粒内表面向颗粒外表面扩散
外扩散:产物分子从催化剂颗粒外表面向气流中扩散
孔道中的流动相
反应物吸附与脱附
产物吸附与脱附
表面化学反应
催化剂颗粒的内表面
A
B
C
D
内孔道
催化剂颗粒
滞流层
⑥
①
②
③
④
⑤
气流层
⑦
外扩散与外扩散系数 DE
外扩散:反应物分子穿过滞流层的过程
通量= DE (Ch-Cs) ( Fick定律)
外扩散阻力:气固(或液固)边界的滞流层
反应是否受外扩散
影响的判断:
外扩散的消除:
提高流体流速
(湍流)
Ch :均匀气流层中反应物浓度
Cs :反应物在催化剂颗粒外表面的浓度
内扩散与内扩散系数 DI
内扩散:反应物分子穿过催化剂外表面与内孔间的
浓度梯度,到达催化剂内表面的过程
通量= DI (Cs-C)
内扩散阻力:催化剂颗粒孔隙内径和长度
反应是否受内扩散影响的判断:
催化剂颗粒减小,催化活性(转化率)是否增加?
内扩散的消除:
在不降低比表面积的基础上,改变催化剂孔结构
减小催化剂颗粒大小
C : 内孔中某定点的反应物分子浓度
内扩散的三种类型
体相扩散(Bulk diffusion)
努森扩散(Knudsen diffusion)
构型扩散( Configurational diffusion )
大孔(孔径>100nm)内的扩散;
分子间的碰撞>> 分子与催化剂孔壁间的碰撞;
扩散阻力主要来自分子间的碰撞
孔径很小(-100nm)或气体浓度很低时的扩散;
分子间的碰撞<< 分子与催化剂孔壁间的碰撞;
扩散阻力主要来自分子与孔壁间的碰撞
,为分子筛孔道内的特有扩散;
孔径与分子大小相当(处于同一数量级);
分子大小的微小变化或其空间构型的改变,都会引起扩散系数的显著变化;
构型扩散对催化反应速率和选择性影响很大,属于择形催化
1000 100 10 1
10-4
10-8
10-12
10-16
D (m2/s)
Pore diameter (nm)
Bulk
diffusion
Knudsen
diffusion
Configurational
diffusion
孔径大小对扩散系数的影响
CH
3
OH +
效率因子(内表面利用率)
η= 观测的反应速度/ 本征反应速率< 1
η定量表达了催化剂内表面利用程度(率)
η趋于1时,内表面利用率高、内扩散可忽略、受反应动力学控制(改善催化剂组成和微观结构,可以有效提高催化效率。动力学控制对反应操作条件十分敏感。特别是反应温度和压力对催化反应的影响比对扩散过程的影响大的多)
η<< 1 时,内表面利用率低、内扩散影响显著、受内扩散控制(催化剂活性无法充分显示出来,既使改变催化剂的组成和微观结构,也难以改变催化效率。只有改变操作条件或改善催化剂的颗粒大小和微孔构造,才能提高催化效率)
吸附、表面反应、脱附(化学过程)
4
3
2
1
反应物化学吸附生成活性中间物
活性中间物进行化学反应生成产物
吸附的产物经过脱附得到产物
催化剂得以复原
吸附不能太弱也不能太强
吸附不能太强