气固相反应

气固相反应
气固相反应是指在固体和气体之间发生的化学反应。

气固相反应特别常见，几乎所有的日常生活中都会接触到这种反应。

此外，这种反应也是工业上重要的化学反应，用于生产固体原料和固体产品，如水泥、石灰、硅胶、热塑性塑料等。

气固反应是一种复杂的化学反应，其反应机理包括物态转变和溶解反应，还有交叉聚合反应。

其中，物态转变主要通过温度变化和压力变化来实现，而溶解反应主要是由溶剂和溶质的相互作用实现的，其中溶剂可以是液体、固体或气体。

交叉聚合反应则是指当两种或两种以上的分子相互作用时，会产生新的分子链，从而产生特定的结构和物质。

气固反应的速率主要由温度和压力来决定，通常情况下，温度越高，反应速率越快。

另外，压力的增加也会增加反应的速率，这是因为压力的增加会加快分子结构的转变。

气固反应也受到许多其它因素的影响，如溶剂、活性剂、光照、表面活性剂等，它们可以改变反应的速率，从而影响气固反应产物的形成和性质。

气固反应的用途也很广泛。

它可以用来制备各种固体原料，如水泥、石灰、硅胶、热塑性塑料、硅酸铝复合材料等，也可以用来制备各种固体产品，如电子器件、冰淇淋、冰糕、饮料等。

此外，气固反应还可以用来处理化学垃圾，使其成为固体原料，通过这种方式将有害物质转化为可以安全处理的物质。

总之，气固反应是几乎存在于我们每一天生活中的常见反应，不仅在日常生活中有着广泛的用途，而且在工业生产中也是重要的反应。

通过本文，我们可以更加深入地了解气固反应，掌握其反应机理和应用，为科学研究提供借鉴。

第五章 气-固相催化反应动力学本章核心内容：介绍了气-固相催化反应的特点、固体催化剂的特征参数和均匀及不均匀吸附等温方程的要点，在此基础上，阐述了不同控制步骤的气-固相催化反应本征动力学方程。

本章的重点在于讨论有关固体催化剂的反应-传质-传热耦合的宏观过程、宏观动力学方程的建立及求解方法。

前已述及，化学反应可分为均相反应和非均相反应两大类。

均相反应动力学因无相间传质传热阻力属于本征动力学范畴，而气固两相催化反应存在相间传递阻力，使可测的主体气流温度和浓度与实际反应值不同，为了描述真实的反应速率，进行有效的气固催化反应器设计，从第五章开始，将学习和讨论气固非均相反应动力学及其反应器设计内容。

本章从它的机理方程入手，详细讨论气固相催化反应宏观动力学规律。

5-1 气-固相催化反应 5-1-1 气-固相催化反应概述所谓气固相催化反应是指在反应条件下，在固体催化剂表面上进行的、反应物和产物均呈气态的一类化学反应。

例如，氮气和氢气在固体铁催化剂表面上进行的合成反应，二氧化硫在固体钒催化剂表面上转化为三氧化硫的反应，合成气在铜基催化剂表面上进行合成甲醇的反应等等，都属于气固相催化反应。

这一类型的催化反应在化工生产中所占的份额相当大，因此气固相催化反应动力学研究及其反应器设计等相关内容成为化学反应工程学的核心内容之一。

气固相催化反应的最大特点莫过于固体催化剂表面这个反应平台，它不仅可以改变反应路径、降低反应活化能，加快反应速率。

因此，在定义气固相催化反应速率时，离不开固体催化剂表面积S 这个参变量的引入，即dtdn S r ii 1±= （5-1） 固体催化剂表面积是固体催化剂的重要性能参数之一，对于特定的催化剂而言，单位质量催化剂所具有的表面积几乎是一个常量，两者之间具有高度的对应关系，所以在定义气固相催化反应速率时，也常常用固体催化剂质量W 替代式（5-1）中的S。

气-固相催化反应动力学研究的目的就是要建立气固相催化反应动力学方程，为气固相催化反应器的开发设计、选型、优化操作与控制提供理论依据。

气固相催化反应宏观动力学化学反应工程主要研究化学反应器的原理，研究物理因素对化学反应的影响，以研究反应动力学为主要内容，并据此进行工业反应器的设计及放大。

工业中，气固相催化反应十分常见，如SO 2催化氧化、H 2和CO 低压合成甲醇、由乙炔合成醋酸乙烯等，所以气固相催化反应的宏观动力学是教学重点。

但气固相催化反应宏观动力学这部分的知识较难理解，公式复杂，反应速率表达形式多，我们在教学过程中很难理解和掌握。

以下就这部分知识进行说明和分析。

反应动力学有本征动力学和宏观动力学之分。

在气固相催化反应中，反应发生在固体催化剂的内表面，完整的反应步骤有：反应物从气相主体扩散，穿过颗粒外气膜滞流层，达到颗粒外表面；反应物从颗粒外表面沿微孔向颗粒内表面扩散；反应物被催化剂颗粒内表面的活性中心吸附；被吸附的反应物在内表面上发生化学反应；产物由内表面上脱附；产物由微孔内向颗粒外表面扩散；产物由外表面穿过气膜层向气流主体扩散。

因此，完整的反应包含了颗粒外的气相扩散、颗粒内的气相扩散和表面催化反应过程。

而扩散现象的存在必然会对反应速率造成影响。

外扩散是纯传质的物理过程，内扩散与表面催化反应是同时进行的，所有又称“内扩散-反应过程”。

如仅研究表面反应过程，即排除内、外扩散影响下的催化剂表面与所接触的气体间的反应情况的动力学，则为本征动力学。

而将所有扩散影响考虑在内的情况，则为宏观动力学。

宏观反应速率不仅和化学反应本征反应速率有关，而且与过程的扩散速率有关。

如当外扩散为控制步骤时，反应的宏观速率就仅取决于传质扩散速率。

1、反应速率的表达及反应速率常数间的相互关系对气固相催化反应，反应速率的表达可以用体积反应速率、表面积反应速率或质量反应速率，即反应区可以用不同的基准，相应地化学反应速率常数的基准也有很多。

体积反应速率的表达为：dVdF r ii v±= (1)式中反应区体积可以指催化剂颗粒床层的堆体积，或者是床层中催化剂颗粒的体积。

气固相催化反应的步骤
1. 催化剂预处理：将催化剂进行预处理，以去除表面的杂质和活性物种，并提高催化剂的活性和选择性。

常用的预处理方法包括煅烧、还原和氧化等。

2. 催化剂加载：将经过预处理的催化剂加载到固体底物上，形成催化剂-底物体系。

加载方法可以采用浸渍、沉积或物理吸附等。

3. 底物进料：将气体底物通过气体供给系统导入反应器。

底物可以是单一气体或混合气体，取决于具体反应的要求。

4. 反应发生：底物分子在催化剂表面发生吸附和解析反应。

此过程中，催化剂促进了底物分子之间的化学反应，并降低了反应的活化能，从而提高了反应速率和选择性。

5. 产物分离：反应产物经过催化剂表面的解析，从催化剂表面脱附，并通过分离系统进行分离和收集。

常用的分离方法包括凝固、吸附和脱附等。

6. 催化剂再生：催化剂在反应过程中可能会受到中毒或失活，需要进行再生以恢复催化剂活性。

催化剂再生方法根据具体反应的特点而不同，常用的再生方法包括煅烧、洗涤和修复等。

以上是气固相催化反应的一般步骤，具体情况会因反应种类不同而有所差异。

气固相催化反应过程
气固相反应本征动力学是研究不受扩散干扰条件下的固体催化剂与其相接触的气体之间的反应动力学。

一般而言，气固相催化反应过程经历一下七个步骤：
①反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递（外扩散过程）
②反应组分从催化剂外表面相催化剂内表面传递（内扩散过程）
③反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）
④在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）
⑤反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）
⑥反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程）
⑦反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程）
七个步骤中，第①和第⑦步是气相主题通过气膜与颗粒处表面进行物质传递，称为外扩散过程；第②和⑥步是颗粒内的传质，称为内扩散过程；第③和第④步是在颗粒表面上进行化学吸附和化学脱附的过程；第⑤步是在颗粒表面上进行的表面反应动力学过程。

以上气割步骤是前后串联的：
外扩散内扩散
表面过程
由此可见，气固相催化反应过程是一个步骤过程。

如果其中某一步骤的反应速率与其他各步的反应速率相比要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的反应速率，该步骤就称为反应速率控制步骤。

反应过程达到定态时，各步骤的反应速率应该相等，且过程的反应速率等于
控制步骤的反应速率。

这一点对于分析和解决实际问题非常重要。

第二章气－固相催化反应宏观动力学气－固相催化反应步骤：1、扩散(外扩散、内扩散)2、吸附3、表面反应4、脱附5、扩散(内扩散、外扩散)第一节气－固相催化反应宏观过程2-1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布以球形催化剂为例：滞流层内扩散－物理过程滞流层内反应物浓度梯度为常量 As Ag C C -－外扩散过程的推动力。

进行内扩散时，同时进行反应。

R ↑，反应量↑，反应物浓度↓ 活性↑，反应物浓度↓ 产物扩散过程与反应物相反。

2-2 内扩散有效因子与总体速率由于催化剂对反应物扩散程度不一样，反应物反应的量也不同，在催化剂内表面上的反应量一定小于按固体外表面计算的反应速度，二者之比称为内扩散有效因子或内表面利用率，或者有效因子。

内扩散有效因子定义解析式： ()()iAS s S A s S C f k dSC f k i⎰=ζ式中：s k －单位表面积计算的反应速率常数 A C －颗粒内反应物浓度 AS C －颗粒外表面上反应物浓度 i S －单位体积床层催化剂的内表面积 内扩散有效因子定义：率及内表面计算的反应速按反应组分外表面浓度梯度计算的扩散速率按反应组分外表面浓度=ζ稳定时：单位时间扩散到外表面的量＝颗粒内的反应量 即：()()()ζAS i s AS Ag e g g A C f S k C C S k r =-= 上式即为外扩散在内的宏观动力学。

式中：()g A r －宏观反应速率 g k －外扩散传质系数e S －单位体积床层中的外表面积如一级反应：则()*A AS AS C C C f -=其中：*A C －平衡浓度则宏观动力学方程：()()()*A AS i s AS Ag e g g A C C S k C C S k r -=-=ζeg i s Ai s Ag e g AS S k S k C S k C S k C ++=ζζ*()()eg i s Ai s Ag e g Ag e g Ag i s e g g A S k S k C S k C S k C S k C S k S k r +--+=ζζζ*ζi s eg Ag Ag S k S k C C 11+-=稳定时，反应放热量＝外表面传热量即()()()()()g S e S R AS i s R g A T T S H C f S k H r -=∆-=∆-αζ 式中：S α－气流主体与外表面间的给热系数 S T －外表面温度 g T －气流主体温度 2-3 催化反应控制阶段的判别 1、化学动力学控制 条件：(1)ζi s eg S k S k 11<<(2) 1→ζ内、外扩散的影响可忽略。