多相催化反应动力学基础
多相反应的动力学机理与模拟
多相反应的动力学机理与模拟随着化学反应动力学研究的深入，多相反应在实际生产和环保方面的应用越来越广泛。
多相反应指的是不同物质在不同相中（如固体、液体和气体）的反应，其中涉及到界面反应、气固反应和液固反应等多种类型。
与单相反应相比，多相反应具有不同的动力学机理和独特的反应行为。
因此，了解多相反应的动力学机理和模拟对于实现高效和环保的工业生产具有重要的意义。
多相反应的动力学机理在多相反应中，不同相之间的物质传递是反应速率的限制因素。
在一个界面反应中，灰色物质（例如液体）会渗透到白色物质（例如固体）的表面，或白色物质向液体中扩散。
这样的动态平衡过程会影响反应的速率和基元反应的选择。
为了更好地理解这个过程，人们需要考虑诸如界面密度、扩散和传递速率等因素。
此外，多相反应中的局部动力学特征也与常规的单相反应存在很大的不同。
在气体和固体的气固反应中，反应的产物通常以气体形式存在，而反应中的反应物与表面接触并在固体表面进行反应。
这意味着，反应速率不仅受到气体分压的影响，也受到固体表面的性质和形态、反应交界处的气体流动以及活性位点等的影响。
这些相互作用会影响反应物的扩散和组成，并影响表面反应机理的选择。
多相反应的模拟然而，多相反应的复杂性以及电化学和热力学动力学方程式的不确定性，对于构建和优化模型提出了挑战。
在此基础上，人们开始利用计算机模拟技术来模拟多相反应的动力学机理。
计算机模拟通常包括连续介质模型和离散粒子模型。
在连续介质模型中，反应物通常被视为静态介质，使用质量热导方程计算温度、反应速率和物质扩散。
这种模型适用于比较全面的计算。
离散粒子模型则使用分子动力学模拟方法，通过模拟单个颗粒的动力学行为预测多相反应的过程。
这种方法具有非常高的计算能力，但却需要更多的理论和实验验证。
模拟工具的选择与模型构建选择模拟工具应该根据具体的反应类型和重点进行选择。
例如，对于较小的颗粒，可以使用平衡颗粒环境假设（PBE）或单元反应器方法进行模拟。
第五讲多相催化反应动力学-概念和定义2
新概念和单位
转换数TON（turnover number）： TON=NA，式中是被催 化剂转化的反应物的物质的量，mol；NA是阿伏伽德罗常数。 反应速率为d(TON)/dt s-1 转换速率（turnover rate）：单位时间内每个活性位上转化的 反应物分子的数目为： 式中S是催化剂表面上的活性位数目S=LA，L是催化剂表面上 的活性位密度，1/cm2，即单位催化剂表面积上的活性位数目； A是催化剂的总活性表面积，cm2/g。 转换频率TOF（turnover frequency）：每个活性位每秒时间内 完成的催化循环的次数，跟转换速率具有等同的意义。
第四章 多相催化反应动力学
多相催化反应动力学中的概念和定义
多相催化反应是发生于催化剂表面的化学反应，因此也称表 面催化或接触催化。 固体催化剂通常被做成多孔性的固体粒子或固体粉末以增大 表面积。 催化反应七个步骤：反应物分子外扩散、反应物分子内扩散、 反应物分子在催化剂表面吸附并发生化学反应（表面反应）、 产物分子从催化剂表面脱附、产物分子内扩散和外扩散。 多相催化反应的三个基元步骤：反应物的吸附、表面反应和 产物的脱附。 催化反应与一般化学反应的基本区别是，在催化反应中有催 化剂的活性中心参与反应。 化学动力学知识应用于非均相催化时有其局限性。尽管能获 得速率方程，但仅能用于反应器的设计和优化，无法了解反 应机理。
20世纪50年代，Yang和Hougen进一步延伸Hougen-Watson的处 理，提出了速率控制步骤的概念以确定催化气相反应的机理。
以理想表面模型为基础的非均相催化反应的LangmuirHinshelwood-Hougen-Watson（LHHW）动力学，被一些著名 学者称为“经典催化动力学”，不仅被广泛使用，而且如 Boudart在1986年所说，对于结构非敏感反应它也是正确的 “真实事情”。 LHHW动力学不仅被用于建立速率方程，还被用于讨论和建 立催化反应的机理。 随着计算机技术的快速发展，在20世纪60-70年代达到相当完 善的程度，包括催化动力学实验的设计、模型判别和检验以 及反应机理的确定，模型参数的计算和可信区间的确定，再 到实验的二次设计以及模型和参数进一步优化。 20世纪70-80年代表面科学的设备和技术不断完善，随着表面 科学技术的发展，对催化剂表面的结构以及活性位的微观性 质有了了解，使反应速率不再仅仅以催化剂质量或体积为单 位来计算，而是发展到以单位活性中心为单位来计算，也就 是单位活性中心的速率成为可能。
多相催化
3．影响气—固相催化反应过 ．影响气 固相催化反应过 程速率的因素
由于催化反应是在催化剂表面上进行的， 由于催化反应是在催化剂表面上进行的 ， 所以反应速率应与催化剂表面上反应物 的浓度（ ） 反应温度（ ） 的浓度（C）、反应温度（T）及固体催 化剂的表面结构和性质有关， 化剂的表面结构和性质有关，即 ： r＝ f（C、T、催化剂）
3.2.1 表面质量作用定律
处理表面过程动力学基础是表面质量 作用定律。根据质量作用定律， 作用定律。根据质量作用定律，表面 过程的基元反应， 其反应速率 与反 过程的基元反应 ， 其反应速率r与反 应物的表面浓度（即表面覆盖度） 应物的表面浓度（即表面覆盖度）成 正比， 正比，其覆盖度的指数等于相应的化 学计量系数。 学计量系数。
（2）表面反应为控制步骤时 ）
• 当表面反应为控制步骤时 ， 即第三步骤 当表面反应为控制步骤时， 为速率控制步骤时， 为速率控制步骤时， 它的反应速度为整 个反应的速度。 个反应的速度 。 根据质量作用定律写出 s v 其速度表达式： 其速度表达式：r = k θ θ − k θ θ 向反应速率常数； 向反应速率常数； • θV——未覆盖度，等于1-θA-θB-θR。 未覆盖度， 未覆盖度 等于1
①化学反应为控制步骤； 化学反应为控制步骤； ②吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 三个步骤的速率相差不大， ③三个步骤的速率相差不大，即不存在速 率控制步骤。 率控制步骤。 • 三种情况表现出不同的动力学规律 ， 下 三种情况表现出不同的动力学规律， 面分别说明三种情况下的速率方程式。 面分别说明三种情况下的速率方程式。
在实际工作中最简单并且广泛应用的 理想表面层吸附模型。 是Langumir理想表面层吸附模型。按 理想表面层吸附模型 此模型，利用Langumir的吸附等温方 此模型，利用 的吸附等温方 程，可以把 值表示为在实验上可直接 可以把θ值表示为在实验上可直接 测定的反应压力的函数， 测定的反应压力的函数 ， 这样就把从 表面质量作用定律获得的动力学方程 与实验数据直接关联起来。 与实验数据直接关联起来。
反应动力学基础
一氧化氮氧化动力学方程建立
由于第二步为速率的控制步骤因此有:
r k2C( NO ) 2Co2
2 C K C 1 NO 第一步达到平衡，则 有: ( NO) 2
代入上式得
r k2 K1C Co2 k2C Co2
2 NO 2 NO
因此,当得到的速率方程与由质量作用定律得到的形
r dW
8
空速与接触时间
空速：单位反应体积所处理的混合物的体积流量。因
次为时间的倒数(1／h)。
VS 0 VSP VR
计算空速时的体积流量一般使用标态体积，特殊说明
时可使用操作状态流量。也有使用摩尔流量的，称为 摩尔空速。 是衡量反应器生产强度的重要操作参数。例如：氨合 成反应，压力为10Mpa时，空速为10000(1/h)；而当压 力为30Mpa时，空速则为28000-30000(1/h)。
例：NO氧化反应速率方程
对于反应 2 NO O2 2 NO2 得到的速率方程为: r kC 2 C NO O 2 该动力学方程并非是由基元反应的质量
作用定律得出.有学者认为该反应由下列 两步组成 :
NO NO ( NO) 2 ( NO) 2 O2 2 NO2
并且第二步为速率的控制步骤.
式中 A为指前因子,其因次与k相同;E为活化 能;R为气体常数。
30
反应速率常数因次
反应速率常数的因次与反应速率的表示方式，速率方
程的形式以及反应物系组成的表示方式有关。 反应级数（一级、二级）、反应速率的因次（以反应 体积计、以催化剂质量计、以相界面计的反应速率）、 对于气相反应，常用分压、 浓度和摩尔分率 来表示 反应物系的组成， 则 之间有下列关系 k ,k ,k
催化反应动力学发展及展望反应动力学作业
催化反应动力学的研究现状与展望摘要：催化反应动力学是催化剂研究的重要领域，本文主要介绍了稳态催化反应动力学（LHHW ）法和非稳态催化反应动力学法，主要从基本原理方面对上述方法做了简要介绍，并联系部分实例。
最后，对微动力学（Micro-kinetic ）进行了概括性的介绍和展望。
引言：19 世纪前30年，许多科学工作者独立地观察到众多相似的化学现象，如淀粉在酸的存在下转变为葡萄糖，金属Pt 粉浸在酒精中使其中一部分乙醇转化为乙酸等。
J.J.Berzelius于1836年提出了“催化作用”的概念。
催化反应是化学反应中极其重要的一类反应，在催化剂的存在下，原化学反应能够降低反应活化能，提高反应速率。
催化反应有如下特点：1. 催化剂只能加速热力学上可以进行的反应，而不能加速热力学上无法进行的反应。
2. 催化剂只能加速反应趋于平衡，而不能改变平衡常数。
3. 催化剂对反应具有选择性。
4. 虽然理论上，催化剂本身不永久地进入反应的产物，经过一个催化循环又回到原始状态，但实际应用中，催化剂或长或短的都存在一定的使用寿命，并不能无限期的使用。
根据催化剂以上特点，可以看出，催化剂主要的功能是改变化学反应的动力学特性从而加速反应进行。
催化剂种类繁多，大体上可以分为固体酸碱催化剂，金属催化剂，金属氧化物及硫化物催化剂和均相催化剂。
催化反应一般分为均相催化、非均相催化和酶催化。
催化反应在农业、能源、医药、化学化工、环保等领域扮演者非常重要的角色。
了解催化反应对于理论及实际应用都有十分重要的意义。
催化反应动力学是了解催化过程本质的重要一环，也是重要工具，它一方面有助于了解催化反应的机理，另外一方面可以为催化反应器的设计提供基本的依据（化学反应工程内1850 年，Wilhelmy 第一次定量地表达了稀蔗糖溶液的酸催化反应的速率。
1862 年，Berthelot 等在未考虑逆反应的情况下测定了醇酯化的反应速率，给出了质量作用定律的特例。
催化作用导论 第三章 多相催化反应动力学_OK
23
3）构型扩散
当分子运动时的直 径（动力学直径）与 孔径相当时，扩散系 数受孔径的影响变化 很 大 。 孔 径 小 于 1.5nm 的微孔中的扩散就属 于这种类型，如分子 筛孔道内的扩散。可 以利用构型扩散的特 点控程和扩散系数计算公 式，可知温度对反应 速率的影响比对扩散 速率的影响要大。多 相催化反应是扩散过 程与化学过程的结果。 因此反应速率随温度 的变化就比较复杂。 一般可分为四种情况：
（1）反应物分子在催化剂内表面上吸附； （2）吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用 或与气相分子作用进行化学反应； （3）反应产物向催化剂内表面脱附。
所要回答的是，反应机理是吸附控制，表面反应 控制，还是脱附控制？
16
反应历程：基元反应的集合。有平行反应和连续 反应构成（相连的一系列步骤）。如：
2
3、为催化反应器的设计提供依据和基础。——动力学 规律把各种因素对反应速率的影响关联在一起，可以 为选择反应的最适宜条件（如原料组成、反应温度、 催化剂用量等）提供计算依据。如果把动力学规律和 特定反应器的传质、传热规律相结合，则可为反应器 设计、操作、控制以及最佳化提供相当可靠的计算方 程，现已发展建立起单独的课程：化学反应工程和/ 或催化反应工程。而催化反应动力学是催化反应工程 学的一个核心部分。
1925年，Tayor提出并强调了活性位的概念，催化表面是 不均匀的，不是所有表面的活性位都有催化活性。
5
1943年，Hougen－Watson讨论了多孔催化剂中的吸附速 率控制、中毒和传质控制，并在假定化学计量系数为1 的条件下，提出了表面反应控制的速率方程。该方法 成功应用的最重要的例子是Hougen及其同事在1946年 发表的混合异辛烯在镍/硅藻土催化剂上的加氢动力学， 他们提出了17种可能的机理，最后的结论是速率控制 步骤是活性吸附的氢和异辛烯之间的表面反应。
催化剂与催化动力学基础
2
（5-28）
B. 如为可逆反应
A B
R S
假设机理同前，但控制步骤为：
A B
k1 R S
k2
(rA ) k1AB k2RS
k1K APAV KB PBV k2 KR PRV KS PSV
k1KAKB PAPB k2KR PR KS PS V2
k1K A KB PA PB k2 K R PR KS PS 1 K A PA KB PB K R PR KS PS
5.2 催化剂（固体）的物理特性
5.2.1 物理吸附和化学吸附
固体催化剂之所以能起催化作用，乃是由于它与各个 反应组份的气体分子或者是其中的一类分于能发生一 定的作用，而吸附就是最基本的现象。实验研究表明， 气体在固体表面上的吸附有两种不同的类型，即物理 吸附与化学吸附。它们两者之间的不同主要反映在吸 附作用力、吸附剂、吸附的选择性、吸附温度、吸附 速率及活化能、吸附热、吸附的可逆性等方面。
A2 2
ka
kd
2 A
ra ka PAV2 ka PA (1 A )2
rd
kd
2 A
ka PA (1 A )2
kd
2 A
A
1
K A PA K A PA
V Vm
（5-6） （5-7）
两种或两种以上吸附质被吸附的过程
A
kaA
A
kdA
B
kaB
B
kdB
raA rdA kaAPAV kdAA
ra
rd
ka
PA
A
kd
A
A
ka PA
A
1
bPA n
V Vm
两边取对数可得：
多相催化与催化动力学课件
产物脱附
反应产物从催化剂表面脱附， 完成一个催化循环。
催化剂失活
在多相催化过程中，催化剂表 面会逐渐被堵塞或中毒，导致 催化剂失活。需要定期再生或
更换催化剂。
02
催化动力学基础
动力学方程与速率
动力学方程
描述反应速率与反应物浓度的 关系，通常采用速率方程的形 式，如速率 = k[C]^m[D]^n
01
纳米科技在多相催化中的应用
随着纳米科技的发展，多相催化材料的研究和应用将更加深入和广泛，
包括新型催化剂的设计、制备和应用等。
02 03
计算机模拟和理论计算的应用
随着计算机技术和计算化学的进步，计算机模拟和理论计算在多相催化 中的应用将更加广泛和深入，有助于揭示催化反应的机制和优化催化剂 的性能。
径和反应机理有关。
活化熵
反应发生所需的熵变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
活化焓
反应发生所需的焓变，通常 由实验测定，与反应途径和 反应机理有关。
催化剂活性与选择性
选择性
催化剂对特定反应的催化能力 ，通常用目标产物的收率来表 示。
催化剂寿命
催化剂在使用过程中保持其活 性和选择性的时间。
未来发展方向与展望
基础研究和应用研究的深度融合
未来，多相催化和催化动力学的研究将更加注重基础研究和应用研究的深度融合，以推动科学技术的发展和应用。
新材料和新技术的开发和应用
未来，新材料和新技术的开发和应用将成为多相催化和催化动力学研究的重要方向，包括新型纳米材料、复合材料、 生物材料等。
绿色化学和可持续发展的推进
反应条件优化
通过模拟计算，可以研究反应温度 、压力、浓度等因素对反应过程的 影响规律，为优化反应条件提供依 据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
多相催化反应动力学基础
1. 引言
多相催化反应是一种重要的化学反应类型，广泛应用于工业生产和环境保护等领域。
了解多相催化反应的动力学基础对于优化反应条件、提高反应效率具有重要意义。
本文将介绍多相催化反应的基本概念、动力学原理以及常见的动力学模型和实验方法。
2. 多相催化反应的基本概念
多相催化反应指的是在固体催化剂表面上进行的气体或液体物质之间的化学转化过程。
在多相催化反应中，固体催化剂作为活性中心，吸附并与参与反应的物质发生作用，从而促进反应进行。
多相催化反应通常包括吸附、扩散、表面反应等步骤。
3. 动力学原理
多相催化反应动力学研究主要关注物质在固体表面上的吸附和解离过程以及表面活性中心上的表面反应动力学。
吸附是指气体或液体分子与固体表面发生相互作用并停留在表面的过程。
解离是指吸附分子在固体表面上发生键断裂，形成活性中心和反应物分子的过程。
表面反应是指活性中心与反应物分子之间的化学反应过程。
4. 动力学模型
多相催化反应动力学模型可以分为两类：微观动力学模型和宏观动力学模型。
微观动力学模型基于吸附和解离等单个分子层面的过程，通常采用基于统计力学原理的动力学方程进行建模。
宏观动力学模型则通过考虑整个反应体系的质量守恒和能量守恒等原理，建立描述反应速率与浓度之间关系的动力学方程。
5. 实验方法
多相催化反应动力学实验通常包括固定床实验、循环流化床实验、扩散实验等。
固定床实验是最常用的多相催化反应实验方法，通过将固体催化剂装填在管状或颗粒状反应器中，控制气体或液体物质在固体表面上的接触时间和温度来研究催化反应的动力学行为。
循环流化床实验则通过气体或液体在固体床上的循环流动来模拟工业生产中的实际情况。
扩散实验则用于研究吸附和扩散等过程对反应速率的影响。
6. 结论
多相催化反应动力学是研究多相催化反应基本原理和优化反应条件的重要领域。
了解多相催化反应动力学基础有助于我们深入理解多相催化反应机理，并为工业生产中的催化过程提供指导和优化建议。
通过合理选择动力学模型和实验方法，可以更好地研究和控制多相催化反应的速率和效率，推动相关领域的发展。
以上内容介绍了多相催化反应动力学基础，包括其基本概念、动力学原理、常见的动力学模型和实验方法等。
通过深入了解多相催化反应的动力学行为，我们可以更好地优化催化过程，提高反应效率，推进相关领域的发展。