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多相催化過(guò)程

發(fā)布時(shí)間：2019-10-29 09:09

多相催化發(fā)生在兩相的界面上，通常催化劑為多孔材料，反應(yīng)物為液體或氣體。在篩選催化劑時(shí)，最好要去除內(nèi)擴(kuò)散限制。當(dāng)存在內(nèi)擴(kuò)散限制時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散步成為擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)、脫附、擴(kuò)散等步驟的速控步。催化劑評(píng)價(jià)得出的結(jié)果不能完全反應(yīng)出催化劑的本征性質(zhì)，由于反應(yīng)物的有效擴(kuò)散與催化劑顆粒孔結(jié)構(gòu)關(guān)系更大，當(dāng)催化劑顆粒大小及且其它評(píng)價(jià)條件也相同時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果只能反映孔道結(jié)構(gòu)與催化劑化學(xué)性質(zhì)的總效果，而不是完全的本征性質(zhì)。這對(duì)我們探討多相催化劑的構(gòu)效關(guān)系是不利的，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)，比如當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散限制存在時(shí)，過(guò)程對(duì)反應(yīng)溫度的敏感程度常遠(yuǎn)低于本征情況做評(píng)價(jià)沒(méi)有必要做內(nèi)外擴(kuò)散試驗(yàn)，只有在做動(dòng)力學(xué)時(shí)必須做內(nèi)外擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，以保證反應(yīng)是表面反應(yīng)控制。對(duì)于氣-固相催化反應(yīng)來(lái)說(shuō)，包括七個(gè)步驟：

（1）反應(yīng)物分子由氣流主體向催化劑外表面擴(kuò)散；

（2）反應(yīng)物分子由催化劑外表面向微孔內(nèi)表面擴(kuò)散；

（3）反應(yīng)物分子在催化劑內(nèi)表面上被吸附；

（4）吸附的反應(yīng)物分子在催化劑內(nèi)表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物；

（5）反應(yīng)后的產(chǎn)物分子從催化劑內(nèi)表面脫附下來(lái)；

（6）脫附下來(lái)的產(chǎn)物分子從微孔內(nèi)向催化劑外表面擴(kuò)散；

（7）產(chǎn)物分子從催化劑外表面向氣流主體擴(kuò)散。

對(duì)于這種串聯(lián)發(fā)生的七個(gè)步驟來(lái)說(shuō)，如果其中的某一步驟的速度與其他各步的速度相比要慢的多，以致整個(gè)反應(yīng)的速度就取決于這一步驟，那么該步驟就成為控制步驟。對(duì)于氣-固非均相催化反應(yīng)來(lái)說(shuō)其總過(guò)程的速度可能有以下三種情況：

（1）外擴(kuò)散控制：如果氣流主體與催化劑外表面間的傳質(zhì)速度相對(duì)于其他各步速度來(lái)說(shuō)很慢，則外擴(kuò)散速度就控制反應(yīng)的總過(guò)程速度。若反應(yīng)為外擴(kuò)散控制，則若要提高總過(guò)程的速度的話，只有通過(guò)加快外擴(kuò)散速度的措施才能奏效。例如增大外表面積或改善氣體流動(dòng)性質(zhì)和加大氣流速度。

（2）內(nèi)擴(kuò)散控制：如果微孔內(nèi)的擴(kuò)散速度相對(duì)于其他各步來(lái)說(shuō)很慢，內(nèi)擴(kuò)散速度就控制了反應(yīng)的總過(guò)程速度。

（3）反應(yīng)控制（或動(dòng)力學(xué)控制）：由于在氣-固催化反應(yīng)過(guò)程中的吸附和脫附均伴有化學(xué)鍵的變化，屬于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。因此常把吸附、表面反應(yīng)、脫附合在一起統(tǒng)稱為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。對(duì)于排除了內(nèi)、外擴(kuò)散控制的影響而得到的純粹是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程式，稱為本征動(dòng)力學(xué)方程。在研究動(dòng)力學(xué)時(shí)，必須設(shè)法消除內(nèi)、外擴(kuò)散的影響才能真正確定反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)方程。