ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering固定床反应器 流化床反应器 固定床反应器 流化床反应器 合成氨 甲醇合成 重油催化裂化 合成氨 甲醇合成 重油催化裂化 二氧化硫氧化 萘氧化制苯酐 二氧化硫氧化 萘氧化制苯酐 苯加氢制环己烷 苯氧化制顺酐 丙烯氨氧化制 丙烯腈 苯加氢制环己烷 苯氧化制顺酐 丙烯氨氧化制 丙烯腈 一氧化碳变换 正构烷烃异构化 萘氧化制苯酐 一氧化碳变换 正构烷烃异构化 萘氧化制苯酐 乙苯脱氢制 苯乙烯 苯气相乙基化 制乙苯 乙烯氧氯化制 氯乙烯 乙苯脱氢制 苯乙烯 苯气相乙基化 制乙苯 乙烯氧氯化制 氯乙烯 烃类水蒸气转化 制合成气 丁烯氧化脱氢制 丁二烯 费-托合成 烃类水蒸气转化 制合成气 丁烯氧化脱氢制 丁二烯 费-托合成 第八章 气固催化反应过程的传递现象第八章 气固催化反应过程的传递现象ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering气固相催化反应基本特征气固相催化反应基本特征催化作用催化作用改变反应途径。 改变达到平衡的时间，不改变平衡状态。 催化剂具有选择性。改变反应途径。 改变达到平衡的时间，不改变平衡状态。 催化剂具有选择性。催化剂催化剂活性组分载体活性组分载体多孔（内表面多孔（内表面 外表面）外表面）5001500m2/g活性炭活性炭InOut气固相催化反应过程包括扩散过程和表面反应过程。单 位时间的转化量正比于反应表面积大小，即固体催化剂的表 面积大小。为了提高催化剂或反应器的生产能力力求大的催 化剂表面积，所以绝大多数催化剂是由多孔物质作为载体， 而把一种或几种活性组分负载于多孔载体，以求获得大的催 化剂活性表面。气固相催化反应过程包括扩散过程和表面反应过程。单 位时间的转化量正比于反应表面积大小，即固体催化剂的表 面积大小。为了提高催化剂或反应器的生产能力力求大的催 化剂表面积，所以绝大多数催化剂是由多孔物质作为载体， 而把一种或几种活性组分负载于多孔载体，以求获得大的催 化剂活性表面。ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering催化剂的存在改变了反应途径。催化剂的存在改变了反应途径。在催化反应中，催化剂与反应物形成活性络合物，然后活性络合物再反应生产产物，同时释放出催化剂，使催化剂能继续使用。因此催化剂存在改变了反应途径，使反应分成几个阶段，其中每个阶段的反应活化能都较低，加快了反应速率。例如对于反应ABC原来的反应途径是经过中间活性络合物AB，然后生成产物C。使用催化剂的反应途径变为AB2KAKBKCKK C2K式中K为催化剂，AK、BK、CK为活性络合物在催化反应中，催化剂与反应物形成活性络合物，然后活性络合物再反应生产产物，同时释放出催化剂，使催化剂能继续使用。因此催化剂存在改变了反应途径，使反应分成几个阶段，其中每个阶段的反应活化能都较低，加快了反应速率。例如对于反应ABC原来的反应途径是经过中间活性络合物AB，然后生成产物C。使用催化剂的反应途径变为AB2KAKBKCKK C2K式中K为催化剂，AK、BK、CK为活性络合物ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering催化剂只能改变达到平衡的时间，不能改变反应物系最终能达到的平衡状态。催化剂只能改变达到平衡的时间，不能改变反应物系最终能达到的平衡状态。因为平衡常数决定于标准自由能变化，这是一个状态函数，而反应过程中催化剂的状态不发生变化，因此催化剂的存在不会影响标准自由能变化的数值，因而化学平衡常数不会变化。由此得出了一个重要结论：加速平衡系统正反应速率的催化剂必然是加速逆反应速率的催化剂。即加氢催化剂也必然是脱氢催化剂。例如Pt、Pd、Ni可作苯加氢的催化剂，在200240条件下反应生成环己烷，那么这些催化剂必定也可以用于环己烷脱氢生成苯的反应，只是其反应条件应该是不同的。因为平衡常数决定于标准自由能变化，这是一个状态函数，而反应过程中催化剂的状态不发生变化，因此催化剂的存在不会影响标准自由能变化的数值，因而化学平衡常数不会变化。由此得出了一个重要结论：加速平衡系统正反应速率的催化剂必然是加速逆反应速率的催化剂。即加氢催化剂也必然是脱氢催化剂。例如Pt、Pd、Ni可作苯加氢的催化剂，在200240条件下反应生成环己烷，那么这些催化剂必定也可以用于环己烷脱氢生成苯的反应，只是其反应条件应该是不同的。ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering可以测：气相主体 浓度可以测：气相主体 浓度CAb、温度、温度Tb不可测：不可测：反应场所反应场所 浓度浓度CAes、温度、温度Tes浓度浓度CAis、温度、温度Tis8.1气固催化反应过程的研究方法催化剂颗粒面临着三种不同的温度和浓 度：流体主体的温度Tb、催化剂颗粒外表面 温度Tes和催化剂颗粒内表面温度Tis；以及 流体主体中的浓度、催化剂颗粒外表面上的 浓度和催化剂颗粒内孔表面上的浓度。 传递过程需以温度差和浓度差作为过程 推动力，因此，一般这三个温度和浓度是互 不相等的，而且催化剂颗粒内孔表面温度和 浓度也不会是一个单一的值，它随内孔深度 的不同而变化。 通过反应器实测的仅为流体主体的温 度和浓度，而催化剂颗粒外表面上的温度、 浓度和内孔表面上的温度、浓度一般是无法 直接准确测定的，只能通过反应工程理论思 维方法进行定性分析推算。8.1气固催化反应过程的研究方法催化剂颗粒面临着三种不同的温度和浓 度：流体主体的温度Tb、催化剂颗粒外表面 温度Tes和催化剂颗粒内表面温度Tis；以及 流体主体中的浓度、催化剂颗粒外表面上的 浓度和催化剂颗粒内孔表面上的浓度。 传递过程需以温度差和浓度差作为过程 推动力，因此，一般这三个温度和浓度是互 不相等的，而且催化剂颗粒内孔表面温度和 浓度也不会是一个单一的值，它随内孔深度 的不同而变化。 通过反应器实测的仅为流体主体的温 度和浓度，而催化剂颗粒外表面上的温度、 浓度和内孔表面上的温度、浓度一般是无法 直接准确测定的，只能通过反应工程理论思 维方法进行定性分析推算。ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering非均相反应过程处理方法： 效率因子法； 表观动力学法。非均相反应过程处理方法： 效率因子法； 表观动力学法。),()(isisACTfr=0,()isERTn AA isrk ec=从反应过程的本质来说，反应速率与浓度、温度关系 是不变的，也即它的反应本征动力学关系式不会受热质传 递影响而发生变化。实际反应速率仍可以用本征动力学方 程表示：从反应过程的本质来说，反应速率与浓度、温度关系 是不变的，也即它的反应本征动力学关系式不会受热质传 递影响而发生变化。实际反应速率仍可以用本征动力学方 程表示：CAis、Tis反应场所的浓度和温度反应场所的浓度和温度ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China ECUST East China University of Science and Technology, Shanghai, China Chemical Reaction Engineering效率因子法效率因子法),()(bbACTfr=0,()b