5.2. Кинетика газофазных реакций

В ПРИСУТСТВИИ ТВЕРДЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Реакция газофазных реагентов на твердом катализаторе скла­дывается из следующих стадий: 1) диффузия реагентов из газо­вого потока к внешней поверхности частиц катализатора (внеш­няя диффузия); 2) диффузия реагентов в поры катализатора (внутренняя диффузия); эта стадия, как и стадия 6, осуществля­ется только на пористом катализаторе; 3) адсорбция реагентов на поверхности катализатора; 4) химическая реакция на поверх­ности катализатора; 5) десорбция продуктов реакции; 6) диффу­зия продуктов реакции в порах катализатора; 7) диффузия про­дуктов реакции от внешней поверхности частиц катализатора в газовый поток.

При установившемся режиме скорости всех стадий равны. Обычно одна из стадий лимитирует скорость суммарного процес­са. Лимитирует скорость процесса та стадия, скорость которой в данных условиях предельна и не может повыситься при повы­шении скорости остальных стадий. Скорость суммарного процесса равна скорости лимитирующей стадии. В зависимости от того, какая из стадий является лимитирующей,

различают области протекания реакции: внешнедиффузионную, внутридиффузионную и т. д.

Внешнедиффузионная область. Скорость диффузии w из газо­вого потока к поверхности описывается первым законом Фика:

где D_М — коэффициент молекулярной диффузии; S — поверхность катализатора; С — концентрация реагента в газовом объеме; с — концентрация реагента на поверхности катализатора; δ_эф — эффективная толщина пограничного слоя, через который идет диффузия.

На внешней поверхности этого слоя концентрация реагента равна концентрации его в газовом потоке и поддерживается в ре­зультате конвективной диффузии.

Если скорость внешней диффузии лимитирует скорость осталь­ных стадий, то С >> с и (С— с) ≈С.

Кинетическая теория газов дает для коэффициента молеку­лярной диффузии следующее выражение:

Dm = 1/3ul

где и — средняя скорость движения молекул; l — средняя длина свободного про­бега молекул; и = (8kТ/πт)^1/2; l=kТ/ πd²p, где k — константа Больцмана; Т — абсолютная температура; m — масса молекулы; d — диаметр молекулы; р — давление газа.

Коэффициент молекулярной диффузии пропорционален темпе­ратуре в степени 1,5 т. е. зависит от температуры очень мало, обратно пропорционален давлению, молекулярной массе диф­фундирующего вещества в степени 1/2 и квадрату диаметра мо­лекул.

Эффективная толщина пограничного слоя зависит от формы частиц катализатора и гидродинамики потока и не может быть определена теоретически. Поэтому значение D_M/δ = β, называе­мое коэффициентом массопередачи, определяется эксперимен­тально.

Внутридиффузионная область. Обычно катализаторы — высо­копористые вещества с высокой удельной поверхностью (суммар­ной поверхностью 1 г катализатора, доступной для молекул ре­агента). Поверхность пор высокопористого катализатора состав­ляет практически всю поверхность, на которой может происходить реакция; внешняя поверхность частиц катализатора обычно не превышает 0,01 %. Если реакция протекает медленно относительно внешней диффузии, то молекулы реагентов диффундируют в поры катализатора. Сталкиваясь со стенками пор, они с некоторой ве­роятностью могут адсорбироваться и прореагировать; в резуль­тате концентрация реагентов по длине поры уменьшается. Если реакция протекает достаточно быстро, то уже недалеко от устья поры концентрация реагентов равна 0 (или равновесной, если реакция достигает равновесия) и реакция проходит только на части поверхности поры, соответствующей некоторой доле ее длины.

Такой механизм протекания реакции называется днутридиффузионным.

Диффузия в порах не предшествует реакции, подобно внеш­ней диффузии, а идет вместе с реакцией, и скорость реакции поэтому зависит и от диффузионных, и от кинетических факторов. Если диаметр пор катализатора больше длины свободного про­бега l диффундирующей молекулы, то движению молекул в за­данном (вдоль поры) направлении препятствуют столкновения их между собой. В этом случае скорость диффузии пропорциональна коэффициенту молекулярной диффузии. Если диаметр пор мень­ше длины свободного пробега молекул, то столкновения их со стенками поры происходят чаще, чем между собой, и скорость диффузии выражается уравнением:

D_K= 1/3ud_n

где d_n — диаметр поры.

D_K называется коэффициентом диффузии Кнудсена. Он не за­висит от давления, пропорционален диаметру пор и Т^1/2.

При атмосферном давлении длина свободного пробега моле­кул l ≈10^-5 см, и для пор диаметром 10 нм и менее протекает диффузия Кнудсена. Так как длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, то с его увеличением диаметр пор, при котором осуществляется диффузия Кнудсена, снижается. При 10 МПа l ≈10^-7 см и для пор диаметром более 1 нм осуществля­ется молекулярная диффузия.

Так как поры в частице катализатора сильно различаются по диаметру и форме, целесообразно рассматривать эти частицы как однородные, в которых диффузия идет с некоторым эффективным коэффициентом диффузии D_Эф. В общем виде:

где ε — доля объема частицы катализатора, приходящаяся на поры; γ— коэф­фициент извилистости пор; ε/γ = 0,05÷0,95.

Если глубина частицы катализатора, на которой реакция заканчивается, значительно меньше ее радиуса, но значительно больше диаметра пор, то скорость реакции в расчете на единицу объем частицы катализатора w во внутридиффузионной области равна:

где d_K — диаметр частицы катализатора; п — порядок реакции; D_Эф — эффектив­ный коэффициент диффузии, пропорциональный D_М при d_n > l и D_K при d_n > l; S—удельная поверхность катализатора; р—плотность частиц катализатора; k_отн — константа скорости реакции, отнесенная к единице поверхности; С — кон­центрация реагента в газовом объеме.

Порядок реакции во внутридиффузионной области равен (n+1)/2. Для реакций первого порядка наблюдаемый порядок равен истинному, для реакций, у которых 0≤n<1, наблюдаемый порядок выше истинного и для реакций,

имеющих порядок выше первого, во внутридиффузионной области наблюдаемый по­рядок ниже истинного.

Коэффициент диффузии можно считать независящим от тем­пературы, и если константа скорости может быть выражена в форме уравнения Аррениуса, то

т. е. энергия активации во внутридиффузионной области проте­кания реакции равна половине энергии активации в кинетической области ее протекания. Скорость реакции обратно пропорциональ­на диаметру частиц катализатора и прямо пропорциональна кор­ню квадратному из его удельной поверхности. Удельная поверх­ность пористого катализатора обратно пропорциональна диаметру пор. Поэтому, если осуществляется молекулярная диффузия, то скорость реакции пропорциональна диаметру пор в степени —0,5. Если же осуществляется диффузия Кнудсена, то, так как коэф­фициент диффузии пропорционален диаметру пор, скорость реак­ции от диаметра пор не зависит.

Если скорость диффузии в порах много больше скорости реак­ции, то концентрация реагента в порах катализатора не меняется по его глубине и равна концентрации его в объеме. В этом случае поверхность катализатора используется полностью, и скорость реакции в единице объема частицы катализатора w_полн равна:

Отношение

называемое фактором эффективности, показывает, какая часть катализатора используется при протекании реакции во внутри­диффузионной области. Значение η можно определить и как от­носительную глубину проникновения реакции в частицу катали­затора (считая, что на этой глубине реакция не тормозится диф­фузией в порах).

Кинетическая область. Если диффузия протекает значительно быстрее реакции, то кинетика процесса определяется механизмом собственно реакции. Если катализатор непористый, то реакция протекает на поверхности катализатора независимо от процесса диффузии. Это случаи протекания реакции во внешней кинетиче­ской области. Если скорость процесса определяется скоростью собственно реакции на всей внутренней и внешней поверхности катализатора, то процесс проходит во внутрикинетической обла­сти. В первом случае скорость реакции пропорциональна внешней поверхности частиц катализатора (или 1/d_K), во втором — его удельной поверхности.

Скорость реакции в кинетической области может определяться: а) скоростью адсорбции; б) скоростью реакции на поверхности адсорбированных молекул или реакции молекул соударяющихся из газовой фазы с адсорбированными молекулами;

в) скоростью десорбции.

Скорость адсорбции w_адс равна:

где b — стерический коэффициент; P/ —число ударов молекул газа на 1 см² поверхности за 1 с; Р — давление; т — масса молекулы; k — константа Больцмана; Т — абсолютная температура; E_адс — энергия активации адсорбции.

Если адсорбированная молекула сохраняет две поступательные степени свободы, т. е. может передвигаться по поверхности, то b = 1. Если адсорбция локализована, т. е. адсорбированная мо­лекула теряет все три поступательные степени свободы, то b<<1 и может достигать значений порядка 10^-4—10^-5. Таким образом, реакция, лимитируемая скоростью адсорбции, идет по первому порядку с константой скорости:

(при выражении концентрации через давление). При атмосфер­ном давлении и b = 1 число ударов молекул о поверхность со­ставляет ≈ 10²⁴ см^-2·с^-1 и

где Р — давление, МПа.

Скорость десорбции w_дес (в моль·см^-2·с^-1) равна:

где q_о — предэкспоненциальный множитлеь, с^-1; [М]—концентрация адсорбиро­ванных молекул, моль·см^-2; E_дес — энергия активации десорбции.

Если реакция лимитируется десорбцией, то практически все активные центры поверхности заняты адсорбированными молеку­лами. Число активных центров на поверхности твердого тела со­ставляет ≈ 10¹⁵ см^-2. Предэкспоненциальный множитель q₀ равен:

q₀=kT/h

где k — константа Больцмана; h — постоянная Планка; Т — абсолютная темпе­ратура.

Значение kT/h ≈ 10¹³ с^-1, следовательно, скорость реакции, ли­митируемой десорбцией, равна:

Скорость реакции в этом случае не зависит от концентрации реагентов, т.е. наблюдаемый порядок реакции — нулевой, незави­симо от истинного порядка поверхностной реакции. Соотношение максимальных скоростей адсорбции и десорбции при атмосферном ­

давлении равно:

где Q_адс — теплота адсорбции.

При 700 К W_адс > W_дес при Q_адс > 54 кДж·моль^-1. Следова­тельно, если теплота адсорбции меньше 54 кДж·моль^-1, то ско­рость реакции может лимитироваться при этой температуре ад­сорбцией. Если Q_адс > 54 кДж·моль^-1 или температура ниже 700 К, то скорость реакции может лимитироваться десорбцией.

Скорости адсорбции и десорбции приведены для модели ад­сорбции, основанной на следующих допущениях (модель Ленгмюра): адсорбированные частицы связаны с определенными цен­трами на поверхности, каждый из которых может присоединять одну частицу; все центры поверхности энергетически равноценны и одинаково доступны для адсорбции; энергия адсорбированных частиц не зависит от присутствия или отсутствия других частиц на соседних центрах.

Если скорость реакции много меньше скорости адсорбции и десорбции, то на поверхности катализатора имеется определен­ное число адсорбированных молекул, которое соответствует рав­новесию адсорбции и десорбции, и в реакцию вступают молекулы, находящиеся в адсорбированном слое. При адсорбции одного ве­щества А, давление которого в газовой фазе равно р_А, скорость адсорбции можно выразить так:

где Sθ — доля поверхности, занятая адсорбированными молекулами.

Скорость десорбции при этом равна

При достижении равновесия w_адс =w_деc и

откуда

где В = k_адс / k_дес=K_адс.

Полученное выражение для S_θ называется уравнением изо­термы адсорбции Ленгмюра. Записав k_адс и k_дес в виде

получаем

где Q_адс-теплота адсорбции.

В том случае, когда адсорбция сопровождается диссоциацией молекулы на две частицы (например, H₂ = 2H_адс), то:

Если адсорбируются несколько газов, то для каждого из них можно записать

Складывая эти уравнения, получаем:

откуда

Рассмотрим выражение для значения равновесной адсорбции S_θ для одного газа. При низком давлении (р_А) величина ВрA<< 1 и S_θ = Вр_А, т. е. количество адсорбированного вещества А про­порционально его давлению в газовой фазе. При р_А >> 1/Bp_A>> 1 и S_θ = l, т. е. вся поверхность покрыта адсорбированными моле­кулами. При средних давлениях уравнение Ленгмюра может быть аппроксимировано уравнением Фрейндлиха:

где а — постоянная; 0 < т < 1.

Таким образом, количество адсорбирующего вещества пропор­ционально давлению в первой степени при низких давлениях, в дробной степени — при средних давлениях и достигает предель­ного значения при высоких давлениях. Те области давления, в ко­торых изменяется вид зависимости S_θ от р_А, определяются кон­стантой равновесия адсорбции В. Чем адсорбируемость вещества больше, тем больше значение В и тем при меньшем давлении достигается предельная адсорбция.

Скорость реакции адсорбированных молекул пропорциональна их числу или доле поверхности, занятой этими молекулами. Рас­смотрим реакцию А→Б+В.Доля поверхности, занятая адсор­бированными молекулами реагента А, равна:

Скорость реакции, отнесенная к единице поверхности катали­затора, равна:

Если адсорбция реагента А и продуктов Б и В мала, так что <<1,то

Реакция идет по первому порядку. Если энергия активации реакции равна Е и теплота адсорбции А равна Qa,то:

т. е. наблюдаемая энергия активации меньше энергии активации собственно реакции на теплоту адсорбции реагента.

Если 1 << B_a p_а >> B_б p_б + B_вp_в, то S_QA=1, w=K и реакция идет по нулевому порядку с наблюдаемой константой скорости, равной истинной константе скорости реакции. Если один из про­дуктов адсорбируется сильно, например 1 << B_б p_б >> B_a p_а, B_вp_в, то:

Реакция идет по первому порядку по реагенту, минус перво­му— по продукту, тормозящему реакцию, и с энергией активации, большей истинной на разность теплот адсорбции продукта, тор­мозящего реакцию, и реагента (так как B_б p_б > B_a p_а, Qb > Qa). Для реакции

и скорость реакции:

При различных соотношениях величин B_ip_i кинетическое уравне­ние принимает различный вид (табл. 5.2).

Рассматриваемая реакция может происходить и при соударе­нии молекулы А из газовой фазы с адсорбированной молекулой Б. Тогда скорость реакции равна:

Энергия активации собственно реакции, т. е. истинная энергия активации, оценивается теорией катализа Валандина следующим образом. Реакция АБ + ВД =АД + БВ может быть описана схемой (К-активные центры катализатора):

По Баландину, наиболее медленная стадия — стадия а — об­разование промежуточных поверхностных соединений или стадия г —разложение поверхностных соединений.

При полном раз­рыве связей тепловой эффект Н' стадии а равен:

Где Qi — энергия разрыва связей.

Аналогично для стадии г:

Энергия активации реакции равна большему энергетическому барьеру. Так как связи не разрываются полностью, а только де­формируются, энергия активации Е меньше Н и приближенно равна — 0,75H, причем H равно тому Н' или Н", которое больше.

Так как независимо от прочности связей с катализатором

т. е. сумма тепловых эффектов стадий а и г равна тепловому эффекту реакции, энергия активации минимальна при

так как при Н' Ф Н", или Н', или Н" больше половины теплового эффекта реакции.

Эти выводы теории Баландина (принцип энергетического со­ответствия) в общем виде подтверждаются многими примерами, однако применение теории для расчета энергий активации весьма ограничено отсутствием в большинстве случаев данных о прочно­сти связей с катализатором. Слишком слабое ( _{KX AБ}+Q_ВД) или слишком сильное Q_{KX AБ}+Q_ВД) взаимодействие с катализатором ведет к высокому значению энергии активации и катализ не осуществляется. В первом случае реагенты активиру­ются катализатором в малой степени, а во втором происходит по существу реакция с поверхностью катализатора и образуются прочные поверхностные соединения.