催化反应动力学方程
宏观动力学方程
➢ （3）内扩散反应速率方程：
vA K sS i f (C AS )
K s－ 反 应 速 率 常 数 η －催化剂有效系数 S i－ 单 位 体 积 催 化 剂 的 内 表 面 积 ,m 2/m 3 f－ 与 浓 度 分 布 有 关 的 函 数
催化反应动力学方程
活性组分：是催化剂主体，单独对化学反应起 催化作用，可作为催化剂单独使用。
助催化剂:本身无活性，但具有提高活性组分 活性的作用。
载体:起承载活性组分作用，使催化剂具有合 适形状与粒度，大的比表面积，增大活性、减 少用量，增加机械强度，延长寿命等。
3 催化剂的性能
活性：是衡量催化剂效能大小的指标。
烟气脱硫催化净化工艺
来自冶炼厂或硫 含 有 约 为 初
磺燃烧的富含 SO2的尾气
始 度3进%的气尾S O气2 浓
水
含有约为初
始浓度进0气.3S%的O 2
尾气
水
预除尘 和水分
段间冷却 的四层催
化床
填充 床吸 收塔
第二级 催化床
填充 床吸 收塔
单级吸收工艺 二级吸收工艺
SO2 1/ 2O2 VanadiumSO3 SO3 H2O H2SO4
➢ 改变反应历程，降低活化能； ➢ 提高反应速率：
A e x p ( E ) （阿累尼乌斯方程）。
R T
催化作用显著特征
➢ 改变反应速度，对于正逆反应的影响相同，不改变化学平衡； ➢ 选择性
2 催化剂
加速化学反应，而本身的化学组成在反应前后 保持不变的物质。
组成
➢ 活性组分 ＋ 助催化剂 ＋ 载体
(1),(7)：外扩散；(2),(6)内扩散 (3),(4),(5)：动力学过程
主 气 流
微孔 固相
催化剂粒子示意图
催化剂反应动力学
球形催化剂 中组分A的 浓度分布
催化剂反应动力学
催化剂反应动力学
例：A＋B R＋S
表面反应控制
A的吸附： B的吸附： 表面反应： R的脱附： S的脱附：
吸附或脱附控制
4 N H 3 6 N O 5 N 2 6 H 2 O 催 化 剂 2 0 0 ～ 3 0 0 ℃ ： P t (P d ,F e ,C u ,M n )/A l2 O 3(T iO 2 ,V 2 O 5 )
汽车尾气催化净化工艺
车用催化转化器
1 气体催化净化
催化作用 : 化学反应速度因加入某种物质而改变，而 被加入物质的数量和性质，在反应终了时不变的作用。
催化反应动力学方程
宏观动力学方程
➢ （2）外扩散的传质速率方程：
v A K G S e a ( C A G C A S )
K G － 扩 散 系 数 ， m /h S e－ 单 位 体 积 催 化 剂 的 外 表 面 积 ， m 2/m 3 φ a－ 催 化 剂 的 有 效 表 面 系 数 ； 球 形 φ a＝ 1 C A G － 主 气 流 中 反 应 物 A 的 浓 度 ， m o l/m 3 C A S－ 催 化 剂 外 表 面 上 A 的 浓 度 ， m o l/m 3
➢ 实验测定
➢ 计算法
等 温 一 级 不 可 逆 反 应 ， 球 形 催 化 剂
＝ 3 ( 1 1 ) s ta n n s s
s R
K
c n1
SO2单级和二级净化工艺的流程图 催化反应：420～550℃
VOCs催化净化工艺
VOCs的催化氧化
催化剂：Pt (Pd，过渡金属，稀土)/Al2O3 等
NOx催化净化工艺
NOx Combustor
NH3 filter
Mixer
Reactor
NOx的选择性催化还原（SCR）
8 N H 3 6 N O 2 7 N 2 1 2 H 2 O
第七章 气态污染物控制技术基础(3)
催化法净化气态污染物
➢ 催化作用和催化剂 ➢ 气固催化反应动力学 ➢ 气－固相催化反应器的设计
第四节 催化法净化气态污染物
气体催化－含有污染物的气体通过催化床层发 生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理 与回收利用物质的净化方法。
应用
➢ 工业尾气和烟气去除SO2和NOx； ➢ 有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化； ➢ 汽车尾气的催化净化。
dN A dWR
WR－催化剂重量，kg x－转化率
L－反应床长度，m
对于催化床
A－反应床截面积，m2 Q－反应气体流量，m3
t－接触时间，h
r A N A 0 d d V x R N A A d 0 d L x N Q A d 0 d t x c A 0 d d x t cA0－反应物的初始浓度,kmol/m3
A W tWR
选择性
W－产品质量 WR－催化剂质量 t－反应时间
B 通过催化反剂应床所层得后目反的应产了物的摩反尔应数物摩尔数100％
催化剂的性能
稳定性：催化剂在化学反应过程中保持活性的能力。
➢ 热稳定性、机械稳定性和化学稳定性 ➢ 表示方法：寿命 ➢ 老化
活性组分的流失、烧结、积炭结焦、机械粉碎等 ➢ 中毒： ➢ 暂时性和永久性中毒
催化剂有效系数
➢ 反应催化剂微孔内浓度分布对反应速率的影响
si
实际反应速率
Ks f(CAS)dS
按外表面反应物浓度计算得到的理论反应速率
0
Ks
f
(CAS)Si
➢ 在内扩散的影响下 催化剂微孔内表面上反应物很低，沿微孔方向降至平衡浓度 催化剂内表面积并未充分利用 η值较小
催化反应动力学方程
催化剂有效系数
反应速度取决于带 ^ 反应(最慢反应)，其它都达到平衡
5 催化反应动力学方程
NA－反应物A的流量，kmol/h
（1）表面化学反应速率方程： NA0－反应物A的初始流量，kmol/h
对于气固催化连续系统
SR－反应表面积，m2 VR－反应气体体积，m3
rA
பைடு நூலகம்
dN A dSR
r'A
dN A dVR
r '' A
对大多数催化剂，毒物：CO、H2S、S、As、 Pb 、HCN
催化剂表面形态电镜照片
4 气固催化反应动力学
反应过程：7个步骤
➢ (1)反应物从气流主体至催化剂外表面 ➢ (2)进一步向催化剂的微孔内扩散 ➢ (3)反应物在催化剂的内表面上被吸附 ➢ (4)吸附的反应物转化为生成物 ➢ (5)生成物从催化剂表面脱附下来 ➢ (6)脱附生成物从微孔向外表面扩散 ➢ (7)生成物从外表面扩散到气流主体