2016年全国互联网-化学反应工程课模设计大赛

12016年全国“互联网+化学反应工程”课模设计大赛---气固催化反应动力学设计说明书团队名称：励行组长：袁欣彤成员：黄园芳、张丽娜、孙杰、李萍21作品设计及使用说明1.1设计方法现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。在本课题的研究制作中，本小组也采用了计算机技术作为主要的工具，采用了一系列的方式如office软件制作PPT、会声会影录制视频等来展现气固催化反应动力学的基本假设、基本内容和主要应用。1.2.使用软件Office(PowerPoint)、会声会影在PowerPoint中采用文字、图片、图表、动画、声音、影片等形式来制作关于气固催化反应动力学的基本知识和应用方面的内容，对于其中的重要公式和反应模型采用动画方式使其更加形象和具体化。会声会影是一款功能强大的视频编辑软件，具有图像抓取和编修功能，可以抓取，转换MV、DV、V8、TV和实时记录抓取画面文件，并提供有超过100多种的编制功能与效果，可导出多种常见的视频格式，甚至可以直接制作成DVD和VCD光盘。通过使用会声会影将编辑好的PPT文件和音频文件进行剪辑，形成一段完整的视频，使其更加形象直观，便于知识的图像化记忆学习。1.3作品视频及音频结构该作品视频结构共分为三个部分：基本假设部分、由反应机理推导反应速率方程部分和由反应速率方程推知反应机理部分。基本假设部分：主要介绍了本课题中要推导的速率方程式所依据的几个基础假设，证明假设的正确性和可行性。由反应机理推导反应速率部分：根据前一部分的基本假设，对几种典型的气3固催化模型进行数学计算，得到其对应的反应速率方程式。并对这些反应速率方程式进行总结，发现它们之间存在的共性和特性，进行规律总结，得到一个通用型的方程式。由反应速率方程推知反应机理：由上述得到的通用方程进行逆向推倒，对上述结论进行验证。1.4作品使用方法本组作品为一个时长为5分钟的WMV格式的视频，通过视频播放器打开即可观看。2作品内容说明2.1作品意义气固相间的催化反应主要指使用固体催化剂的气相反应，即气-固相催化反应。在这种情况下。固体为催化剂，仅起吸附并活化反应物的作用，反应生成的物质可以不吸附在固体上，也可以吸附在催化剂上然后解析而离开催化剂表面。气固多相催化反应的完成包括以下步骤：1.反应物自气流的主体穿过催化剂颗粒外表面上的气膜扩散到催化剂颗粒外表面。2.反应物自外表面向孔内表面扩散。3.在内表面上吸附。4.吸附的反应物被活化，并在催化剂表面发生反应。5.吸附态产物脱附6.在固相中由内表面向外表面的内扩散过程。7.到达催化剂外表面的产物经过气膜层向气相主体的外扩散过程。研究气固催化反应动力学，从实用的角度说，为工业催化过程确定最佳生产条件，为反应器的设计打基础。对于实际的反应系统，化学反应始终受到传质、传热等诸多因素的影响，需要从从物质的吸附、解吸以及吸附物质间的化学反应等角度分析，涉及到物理吸附、化学吸附、吸附等温模型、覆盖率、空白率、吸4附平衡等诸多概念。从理论上说，是为认识催化剂的特性提供依据，因为催化剂的动力学参量是催化剂化学特性的重要依据。这些参量是现有催化剂改进以及新型催化剂设计的依据。2.2设计基础在进行该题目的设计时，学生已经系统学习过气固催化反应的概念和基本过程，对于反应所涉及到的几个基本假设：表面活性位理论、Langmuir理想吸附基本假定、Langmuir理想吸附模型和速率控制步骤与定态近似等已经有了初步的认识，并通过后期的资料查询和师生交流对此有了更深一步的认识。对于过程推导中涉及到的数学知识也掌握牢固。综上，学生对该课题所需要的知识掌握牢固，资料通过后期查询也基本齐全，对于涉及的软件应用也十分熟练，有能力设计出一份完整甚至高水平的作品。2.3展示作品逻辑分析本课题结构形式采用总-分式，共分为三部分。首先介绍了本课题中要推导的速率方程式所依据的几个基础假设，接下来的两部分分别是由反应机理推导反应速率方程部分和由反应速率方程推知反应机理部分。用结构图表示如下：2.4作品内容及应用催化剂是一种能改变反应物化学反应速率、不改变化学平衡而保持本身质量、性质不变的物质。催化剂在目前的化工生产中应用广泛，作用重大，所以能够准确理解催化剂反应动力学对于化工行业的发展由重大的意义。将从三方面来为大家全面探讨催化剂动力学。首先是进行反应速率方程推导所需要的几个理论假设，接着着重推导几种不同吸附情况下的反应速率方程式，反应机理推知反应方程额反应方程推知反应机理U基本假设5最后对速率方程的推导及逆推步骤进行一个总结。第一部分：基本假设部分气固催化反应表面活性位理论。主要包括三个步骤：反应物被分布在催化剂表面的活性位吸附，成为活性吸附态；活性吸附态组分在催化剂表面上进行反应，生成吸附态产物；吸附态产物从催化剂活性表面上脱附。Langmuir理想吸附基本假定。吸附表面能量均匀，各吸附位具有相同的能量；吸附分子间没有相互作用；单分子层吸附。朗格缪尔吸附模型假设。朗格缪尔假设认为气体的吸附速率与其分压成正比，也与未被占据的活行为中心数成正比；脱附速率与表面活性中心吸附量成正比。速率控制步骤。假若某一过程相对其他过程要困难的多，该过程经常称为速率控制步骤。定态近似：总的反应速率由速率控制步骤决定，而其他过程可以近似为平衡态。第二部分：由反应机理推导反应速率方程(均已表面反应控制为例)1.单分子理想表面可逆吸附：对于A生成p的可逆反应A→P，整个反应我们认为有吸附、反应、脱附三部分组成。假设表面化学反应为控制步骤r=k+A-k-P。稳态时，总反应速率步骤与各分步速率相等，则吸附和脱附就可以近视为平衡态。各种活性中心所占分率之和为1，连立求解得到该反应的速率表达式。𝑟=k+A-k-P2.多分子可逆吸附：Aσ+Bσ→Cσ+Dσ得到反应速率方程式为:r=𝑘+𝐾𝐴𝐾𝐵𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷]2。此式多了B的吸附项。3.对于有惰性气体I，并吸附在同种活性中心上的反应，得到速率方程式为：r=𝑘+𝐾𝐴𝐾𝐵𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷+𝐾𝐼𝑃𝐼]2。分母项多了惰性气体的吸附项。4.对于B组分不吸附的可逆反应A+BC+D进行推导，得到反应速率方程式为r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷]2。此方程式与上式相比多了可逆项。65.对于B组分不吸附的可逆反应A+BC+D进行推导。得到反应速率方程式为r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷]2。此方程式与上式相比多了可逆项。6.对于B吸附了却不参与反应的不可逆反应A+BC的情况，A+=A，B+=B，A+B→𝐶+𝜎。得到速率方程式为r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝑝𝐶[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶]2。7.对于有两种活性位吸附的情况，A𝜎1+B𝜎2↔C𝜎2，得到速率方程式为r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝑝𝐶(1+𝐾𝐴𝑝𝐴)(1+𝐾𝐵𝑃𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶)8.对于解离吸附模型，A2+BR，得到速方程式为：r=𝑘(𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑃𝑅𝐾𝑝⁄)(1+(𝐾𝐴𝑝𝐴)12⁄+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝑅𝑝𝑅)2由以上推导过程可知，在进行反应速率方程式的推到时，有以下几个步骤：1.明确反应机理2.确定速率控制步骤.，以该步速率写出速率方程3.定态近似，将各组分的覆盖率转变为各组分分压的函数4.由覆盖率之和等于一，求出各物质覆盖率表达式.5.将覆盖率带入速率控制步骤速率方程，得总速率方程.由此可得到反应速率方程式的通用形式：反应速率=反应速率常数∗推动力吸附项n其中，反应速率常数是温度的函数；推动力项对于可逆反应，表示离平衡的远近，对于不可逆反应，表示反应进行的程度；吸附项表明被吸附物质和吸附强弱。第三部分：由反应速率方程推知反应机理1.分子上有“负号”代表速率控制步骤的反应为可逆反应，分母项为同底数幂指数项则为同种活性位点多分子吸附。r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝑝𝐶[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶]22.分母项为乘积形式则为异种活性位点多分子吸附。7r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝑝𝐶(1+𝐾𝐴𝑝𝐴)(1+𝐾𝐵𝑃𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶)3.分母上均为吸附项，包括惰气竞争吸附项。r=𝑘+𝐾𝐴𝐾𝐵𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷+𝐾𝐼𝑃𝐼]24.分母上缺少哪一项则表示哪一项不吸附。r=𝑘+𝐾𝐴𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑘−𝐾𝐶𝐾𝐷𝑝𝐶𝑝𝐷[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷]25.分子上没有有“负号”代表速率控制步骤的反应为非可逆反应，分母上会有根号，表示为12型解离吸附。r=𝑘𝐾𝐴𝐾𝐵𝑝𝐴𝑝𝐵[1+𝐾𝐴𝑝𝐴+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝐶𝑝𝐶+𝐾𝐷𝑝𝐷]2r=𝑘(𝑝𝐴𝑝𝐵−𝑃𝑅𝐾𝑝⁄)(1+(𝐾𝐴𝑝𝐴)12⁄+𝐾𝐵𝑝𝐵+𝐾𝑅𝑝𝑅)2