Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Замараев - часть 3

.pdf
Скачиваний:
68
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
984 Кб
Скачать
☆

Зависимость, соответствующую уравнению Михаэлиса–

Ментен, можно спрямить в координатах

1

=

1

+

Km ×

1

, из

W

V

 

 

 

 

V

CS

которой легко находятся параметры V и Km.

6.5.7. Гетерогенный катализ

Классический гетерогенный катализ состоит в ускорении газофазных или жидкофазных химических реакций функцио- нальными группами поверхности твердого тела. В качестве активных в катализе функциональных групп могут выступать, например,

1)гидроксильные группы ////////OH (это пример бренстедовских кислотных центров);

2)координационно ненасыщенные ионы алюминия (это пример льюисовских кислотных центров);

3)атомы металлов в различных степенях окисления и раз- личном лигандном окружении, например в окружении анионов

кислорода кристаллической решетки для твердых оксидов металлов или в окружении других атомов металла для ме- таллических катализаторов (это примеры активных центров, ведущих реакции по механизмам, аналогичным таковым для катализа комплексами металлов).

1. Строение гетерогенного катализатора

Типичное строение гетерогенного катализатора представ- лено на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Типичное строение гранулы гетерогенного катализатора. Заштрихованные области обозначают решетку твердого тела, светлые области — систему пор, черные точки

– активные центры катализатора

Катализатор представляет собой гранулу той или иной формы (сферической, цилиндрической, кольцеобразной и т. п.) и того или иного размера. Объем гранулы пронизан сис-

38

темой тонких пор, наличие которых обеспечивает высокую поверхность катализатора.

Различают внешнюю поверхность катализатора Sвнеш , ко- торая определяется формой и размером его гранулы, и внут- реннюю поверхность катализатора Sвнутр , которая определя-

ется структурой его пор. Обычно выполняется условие

Sвнутр >> Sвнеш ,

т. е. полная поверхность Sп = Sвнеш + Sвнутр ≈ Sвнутр .

Активные центры катализатора, т. е. функциональные группы, ведущие каталитическую реакцию, могут быть распо- ложены как на внешней, так и на внутренней поверхности. Но обычно на внутренней поверхности их значительно больше,

так как сама эта поверхность значительно больше внешней поверхности. Активные центры обозначены на рисунке чер- ными точками.

2. Стадии гетерогенной каталитической реакции

Вследствие такого строения твердого катализатора, гете- рогенные каталитические реакции включают следующие ста- дии:

1. Транспорт молекул реагентов из объема газовой или жидкой фазы к внешней поверхности катализатора. В про- мышленных каталитических реакциях, протекающих в жидко- сти или в газе при нормальном или повышенном давлении, этот транспорт идет путем диффузии. Поэтому данную ста- дию реакции называют внешней диффузией.

2.Диффузия молекул реагентов по порам от внешней поверхности в глубь объема катализатора. Эту стадию назы-

вают внутренней диффузией.

3.Адсорбция молекул хотя бы одного из реагентов на ак- тивных центрах поверхности катализатора.

4.Химическая реакция на поверхности между двумя ад-

сорбированными молекулами или между молекулой, адсор- бированной на поверхности, и молекулой из жидкой или газо- вой фазы.

39

5.Десорбция молекул продуктов реакции.

6.Внутренняя диффузия молекул продуктов.

7.Внешняя диффузия молекул продуктов.

В принципе, любая из этих стадий может лимитировать скорость реакции в целом.

3. Диффузионные стадии

Учет влияния диффузионных стадий 1, 2, 6 и 7 на скорость гетерогенного катализа в принципе проводится точно так же, как и для гомогенных реакций в жидкости (см. разд. 2.3.1). Следует лишь иметь в виду, что коэффициенты внешней и внутренней диффузии могут существенно различаться. На- пример, для гетерогенного катализа в газах длина свободного пробега молекулы (а значит, и коэффициент диффузии) оп- ределяется для внешней диффузии либо частотой ее столк- новений с другими молекулами (если длина свободного про- бега λ << L, где L – размер реакционного сосуда), либо прямо частотой ее столкновений с внешней поверхностью катализа- тора (если λ >> L). В отличие от этого, коэффициент внутрен- ней диффузии в порах достаточно малого размера (d ≈ 10 Å)

может определяться частотой столкновений молекулы со стенками поры.

Существует простой прием, позволяющий установить, кон- тролируется ли гетерогенная каталитическая реакция диффу- зией. Для этого надо сравнить скорости реакций в присутст- вии одного и того же количества (по массе) катализатора, но приготовленного в виде гранул разного размера. Если реак- ция контролируется диффузией, то ее скорость возрастет при уменьшении размера гранул, так как при этом возрастут ско- рости как внешней диффузии (вследствие увеличения сум- марной внешней поверхности гранул), так и внутренней диф- фузии (вследствие уменьшения расстояния, на которое при- ходится диффундировать). Если же реакция контролируется не диффузией, а стадиями 3–5, то при фиксированной массе

катализатора скорость реакции не будет зависеть от размера гранул.

40

4. Стадии адсорбции и десорбции. Изотермы адсорбции Лэнгмюра

а) Для описания кинетики адсорбции воспользуемся зако- ном действующих масс для взаимодействия частиц с поверх- ностью (см. разд. 2.1.2, пункт «а»). Напомним, что в упомяну-

том выше разделе мы получили для скорости реакции

A +

 

¾¾® X

(6.45)

s

между молекулами А из газовой фазы с поверхностью s сле- дующее выражение:

dCA

= - kS ×

S

× CA ,

(2.4)

 

V

dt

 

 

где S – площадь поверхности, V – объем системы, а константа скорости kS = k1 × l * имеет размерность [kS ]= [t−1 ×l]= [смс]. Здесь k1 – константа скорости мономолекулярной реакции между А и s в реакционном слое толщиной l* вблизи поверх- ности (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Схематическое пред-

ставление использования закона действующих масс для взаимодейст-

вия частиц с поверхностью

На этом рисунке через s* обозначена площадь элемента поверхности, взаимодействующего с частицей А.

Очевидно, что V* = l*×s* – это реакционный объем вокруг элемента поверхности s*.

Для процесса адсорбции (6.45) частиц А газовой или жид-

кой фазы на поверхности твердого тела в соответствии с только что сказанным имеем

 

æ dC

A

ö

 

 

 

S

 

 

 

 

 

S

 

 

 

W

= -ç

 

÷

= k

 

×

 

× C

 

= k

 

×

 

× C

 

, (6.46)

 

 

 

 

 

 

 

 

адс

è

dt

øадс

 

S

 

V

 

A

 

адс

 

V

 

A

 

41

Aадс , Sадс

где kадс – значение kS для процесса адсорбции.

Очевидно, что в этом выражении S – это свободная ак- тивная поверхность катализатора, т. е. поверхность, не заня- тая частицами Aадс .

Число NA частиц А в газовой (или жидкой) фазе связано с

их концентрацией соотношением

 

 

 

NA = CA × V .

 

 

При V = const

из уравнения для Wадс получаем следующее

уравнение для

dNA

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

æ dN ö

 

 

 

 

-ç

A

÷

= kадс

×S ×CA .

(6.47)

 

 

 

è

dt øадс

 

 

 

Введем следующие обозначения:

1) s*A – площадь поверхности, занимаемая одной частицей

– площадь активной поверхности, занятой части- цами Aадс , So – полная площадь активной поверхности; 2) No

– полное число центров адсорбции, NAадс

– число адсорби-

рованных частиц Aадс , N – число свободных центров адсорб-

ции;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) q A –

 

доля активной поверхности,

занятой частицами

Aадс .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

No = N + NAадс

,

 

 

 

 

 

 

 

So = S + Sадс ,

 

 

 

S

o

= N × s * , S = N× s *

, S

адс

= N ×s

* ,

 

o A

 

 

 

 

A

 

 

 

адс

A

 

 

æ dN

ö

æ dNA

адс ö

 

 

 

 

- ç

 

A

÷

= ç

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

dt øадс

ç

 

dt

÷

 

 

 

 

è

 

 

øадс

 

 

42

 

 

 

 

 

 

 

 

æ dN

ö

 

 

 

 

и выражение (6.47) для ç

 

 

 

A

÷ преобразуется к виду

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

dt

 

øадс

 

 

 

 

 

 

 

 

æ dN

A

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- ç

 

 

 

÷

 

= kадс × S × CA ,

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

øадс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

 

æ dN

 

 

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

 

Aадс

÷

 

= kадс × S × CA ,

 

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

dt

 

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

øадс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

æ dq

A

ö

 

 

 

 

= k(адс) × l * ×(N - N

)×s*

×C

 

 

N ç

 

÷

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

oè

dt

øадс

 

 

 

 

1

 

o адс

A

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

æ dq

 

 

ö

 

 

 

 

k(адс)V *× (1- qA )× CA .

 

 

 

 

ç

 

 

A

÷

 

 

=

 

(6.48)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

dt

 

øадс

 

 

14243

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k(адс)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

В этих выражениях k1(адс) – константа скорости мономолеку-

лярной реакции между частицей А и центром адсорбции с площадью s*A ; V *=l * × s*A – элементарный реакционный объ- ем для процесса адсорбции; k(2адс) =k1(адс) × V * – константа ско-

рости бимолекулярного процесса взаимодействия частиц А с поверхностью, приводящего к адсорбции.

æ dq

ö

 

æ dNAадс

ö

æ dN

ö

Индекс «адс» у членов ç

 

A

÷

,

ç

 

÷

и ç

 

A

÷

è

dt øадс

 

ç

dt

÷

è

dt øадс

 

è

øадс

означает, что рассматривается изменение величин qA , NAадс

и NA , обусловленное только процессом адсорбции.

б) Десорбцию можно рассматривать как мономолекуляр-

ную реакцию

 

Aадс ¾¾® A + s

(6.49)

43

Тогда выражения для скорости десорбции имеет вид

 

 

 

 

æ dC

A

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W

дес

= - ç

 

 

 

 

адс

÷

 

 

= k(дес)

×C

Aадс

;

 

 

 

 

 

(6.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

dt

÷

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

ø

дес

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

¬¾

 

умножаем на V обе части пре-

 

 

 

 

 

 

 

 

дыдущего уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ dN

 

 

 

 

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- ç

 

A

адс

÷

 

 

= k(дес)

×N

;

 

 

 

 

 

 

 

(6.51)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ç

 

dt

 

 

÷

 

 

 

 

 

1

Aадс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

 

 

øдес

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

¬¾

 

делим на No обе части преды-

 

 

 

 

 

 

 

 

дущего уравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ dq

A

ö

 

=

 

- k1(дес) × qA .

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.52)

 

 

ç

 

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

øдес

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

æ dq

 

ö

æ dN

ö

 

æ dCA

адс

ö

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, ç

 

Aадс

 

÷

 

ç

 

 

÷

 

Индекс «дес» у членов ç

 

 

A

÷

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

 

dt

 

øдес

ç

dt

÷

 

ç

 

dt

 

÷

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

è

ø

дес

è

 

 

ø

дес

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

означает, что рассматривается изменение величин qA , NAадс и CAадс , обусловленное только процессом десорбции.

в) Изотерма адсорбции

В ходе адсорбции при малых qA сначала выполняется ус-

ловие

Wадс > Wдес .

Однако по мере увеличения qA , Wадс непрерывно падает, а Wдес возрастает. Это происходит до тех пор, пока не достига-

ется условие адсорбционного равновесия

 

 

Wадс

 

=

 

Wдес

 

,

(6.53)

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

k2(адс) × (1- qA )×CA - k1(дес) × qA

= 0 ,

ß

 

 

 

 

 

44

k(2адс) × CA - (k1(дес) + k(2адс) × CA )× qA = 0 ,

ß

qA =

 

 

k2(адс) × CA

,

 

k1(дес) + k(2адс) × CA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qA

=

 

 

Kадс×CA

 

,

(6.54)

 

1

+ Kадс×CA

 

 

 

 

 

 

k(адс)

где Kадс = k(2дес) – константа равновесия адсорбции.

2

Последнее выражение называют изотермой адсорбции Лэнгмюра.

Если в системе имеются два вещества A и B, конкурирую- щие друг с другом за одни и те же места адсорбции, то сис- тема кинетических уравнений, описывающая адсорбцию- десорбцию, принимает вид

dqA

= k2(адсA

) × (1

- qA - qB )× CA - k1A(дес) × qA ;

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

dqB

= k(адс) × (1

- q

A

- q )×C

B

- k(дес) × q .

 

dt

2B

 

 

B

1B

B

 

 

 

 

 

 

 

 

В условиях адсорбционного равновесия

dqA

dt

(1- qA - qB )

qB

= 0 ,

 

 

dqB

= 0 ,

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k(дес) × q

 

 

 

 

k(дес) × q

 

=

 

1A

 

 

A

 

=

 

1B

B

,

 

k(адс) × C

A

 

k(адс) ×C

 

 

 

2A

 

 

 

 

2B

B

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= q

 

×

K(B)

 

×C

 

 

 

 

A

адс

 

 

B

 

 

 

 

 

 

Kадс(A)

×CA

 

 

(6.55)

(6.56)

45

(K(A)адс и K(B)адс – константы равновесия адсорбции для ве-

ществ A и B),

æ

k(2адсA ) × çç1- qA

è

ß

 

 

K(B)

×C ö

 

 

 

 

 

-q

A

адс

B

÷

×C

A

- k(дес) × q

A

= 0 ,

(A)

 

 

÷

 

1А

 

 

 

Kадс

×CA ø

 

 

 

 

 

ß

 

 

 

é

 

K(B)

× C

ù

 

 

 

 

 

K(A)адс ×CA

- K(A)адс

× qA × ê1+

 

адс

B

ú

×CA - qA = 0,

 

 

K(A)адс

 

 

14243

 

 

ê

 

× CA ú

 

 

 

 

 

 

 

 

ë

 

 

 

 

 

û

 

 

 

 

 

 

144444424444443

 

 

 

 

ß

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qA =

 

Kадс(A)

×CA

 

 

 

 

.

(6.57)

 

 

1+ K(A)

×C

A

+ K(B)

×C

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

адс

 

 

 

адс

 

 

 

Аналогичным образом из соображений симметрии имеем

qB=

 

 

K(B)адс

× CA

 

 

.

(6.58)

1

+ K(A)

× C

A

+ K(B)

×C

 

 

 

 

 

 

 

 

адс

 

адс

B

 

 

 

Доля незанятых центров адсорбции

1- qA - qB =

 

 

 

1

 

 

 

.

(6.59)

 

+ K(A)

× C

 

+ K(B)

×C

 

1

A

 

 

 

 

 

адс

 

адс

B

 

 

 

Для случая совместной адсорбции трех веществ A, B и P

нетрудно получить

qA =

 

 

 

Kадс(A) ×CA

 

 

 

;

(6.60)

1+ K(A)

×C

A

+ K(B)

× C

+ K(P)

× C

 

адс

 

адс

B

адс

P

 

 

 

 

 

 

K(B) × C

 

 

 

 

 

qB=

 

 

 

адс

B

 

 

 

;

(6.61)

1+ K(A)

×C

A

+ K(B)

× C

+ K(P)

×C

 

адс

 

адс

B

адс

P

 

 

 

 

 

 

K(P) × C

 

 

 

 

 

qP=

 

 

 

адс

P

 

 

.

(6.62)

1+ K(A)

×C

A

+ K(B)

× C

+ K(P)

×C

 

адс

 

адс

B

адс

P

 

 

46

5. Стадия химической реакции на поверхности

а) Мономолекулярные реакции на поверхности

1)

Aадс ¾¾® Pадс

(6.63)

или

 

 

 

 

2)

Aадс ¾¾® P +

 

.

(6.64)

s

В обоих случаях изменение qA во времени описывается вы-

ражением

W = -ddtqA = k1 × qA .

Для изменения концентрации продукта имеем в первом случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dqP

= -

dqA

 

= k1 × qA ,

 

 

 

 

(6.65)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

во втором случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dCP

 

dNP

 

 

1

 

 

 

 

 

 

dN

Aадс

 

1

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

1

 

 

=

×

 

= -

 

 

×

= -

d No × qA

 

×

=

 

dt

 

dt

 

V

 

 

 

 

 

 

dt

V

 

 

 

 

 

dt

 

 

V

 

 

 

 

 

dq

A

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

NAадс

 

 

 

 

 

 

= -

 

 

×

 

o

 

= k1

× qA

×

 

 

o

 

= k1 ×

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

V

 

V

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, получили следующие выражения для

dCP

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dCP

 

= k1

× qA ×

No

 

 

 

 

 

 

(6.66a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NAадс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

= k1

×

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

(6.66б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) Бимолекулярная реакция между молекулой газа (жидко- сти) и адсорбированной молекулой

Такая реакция имеет вид

 

A + Bадс ¾¾® P .

(6.67)

47