Ky thuat xuc tac xuc tac di the

Phản ứng xúc tác dị thể
Ưu điểm của xúc tác dị thể so với xúc tác đồng thể

CN xúc tác dị thể có thể được tiến hành liên tục,
nên năng xuất thiết bị cao hơn.
Có thể tự động hóa công nghệ.
Việc tách xúc tác được tiến hành dễ dàng.
Ea của xúc tác dị thể thường nhỏ hơn so với Ea
của xúc tác đòng thể (xem bảng dưới).

1


Phản ứng xúc tác dị thể
Bảng số liệu so sánh giá trị năng lượng hoạt hóa Ea giữa
P.ứ xúc tác đồng thể và P.ư xúc tác dị thể.

2


Cơ sở lý thuyết cho phản ứng xúc tác dị thể vẫn còn nhiều tranh cải, nhiều
quan điểm chưa thống nhất. Mặc dù vậy, Phản ứng xúc dị thể chiếm một tỉ
lệ lớn nhất trong các phản ứng có sử dụng xúc tác. Đặc biệt, là các xúc tác
rắn acid-base.

Ví dụ:

3


Một số quá trình xúc tác quan trọng trong công nghiệp

4


Một số lĩnh vực ứng dụng p.ư xúc tác dị thể chủ chốt
Năng lượng
Vật liệu
Hóa chất cơ bản
Dược phẩm
Bảo vệ môi trường

5


Thành phần pha trong phản ứng xúc tác dị thể

Thông thường, trong xúc tác dị thể, xúc tác thường
được sử dụng có pha rắn, còn các chất phản ứng
và sản phẩm thường là pha lỏng hoặc khí.
6


Phân chia các giai đoạn trong phản ứng xúc
tác dị thể.
Theo 03 tiêu chí chính:
Phân chia theo giai đoạn




Thành 03 giai đoạn
Thành 05 giai đoạn
Thành 07 giai đoạn

Phân chia theo lớp


Thành 05 lớp.

Phân chia theo vùng


Thành 03 vùng

7


Phân chia theo giai đoạn


Thành 03 giai đoạn

Cách phân này tuy đơn giản nhưng chưa phân biệt
được đâu là hiện tượng hấp phụ vật lý và đâu là hiện
tượng hấp phụ hóa học.
8


Phân chia theo giai đoạn


Thành 05 giai đoạn

9


Phân chia theo giai đoạn


Thành 07 giai đoạn

Đối với các xúc tác rắn có cấu
trúc lỗ xốp, mao quản
10


Ví dụ: Carbon hoạt tính,
zeolite.


Than hoạt tính có Sr = 800
– 1200 m2/g. Trong đó, bề
mặt ngoài chỉ chiếm
khoảng 1-2%, thường thì
phản ứng được tiến hành
bên trong mao quản.

11

porous carrier
(catalyst
support)

bed of
catalyst
particles

reactants

substrate

product

reactor

reaction desorption

adsorption
products

catalyst support
active
site


Phân chia theo lớp



Thành 05 lớp.

Baladin đã chia phản ứng trên bề mặt thành 05 lớp

Từ đây ta thấy, xúc tác có một lớp mỏng trên bề mặt là tâm hoạt
động xúc tác, còn phía trong là chất mang. Việc sử dụng chất mang
giúp tăng diện tích bề mặt của xúc tác đồng thời làm giảm lượng kim
loại quí sử dụng, khi kim loại quí đóng vai trò là xúc tác chính.
16


Phân chia theo vùng


Thành 03 vùng





Vùng khuếch tán
Vùng động học
Vùng quá độ

Cách chia này nhằm mục đích xác định phương
trình động học của quá trình xúc tác dị thể.

17

Động học của phản ứng xúc tác dị thể.
Nếu một phản ứng xảy ra nhiều giai đoạn, tốc
độ của phản ứng sẽ phụ thuộc vào vận tốc của
giai đoạn chậm nhất.

Phản ứng xảy ra ở vùng động học: khi mà
vận tốc động học (vđh) nhỏ hơn nhiều so với vận
tốc khuếch tán (vkt) .

vdh  vkt
Như vây, vận tốc chung của phản ứng (vc) sẽ
phụ thuộc vào vận tốc động học.
18


Hay:

vC  vdh

Vì vậy, để làm tăng vận tốc chung của phản ứng,
ta phải tăng vận tốc động học
Các phương pháp có thể làm tăng vận tốc động
học:
1. Tăng thời gian tiếp xúc giữa chất xúc
tác và chất phản ứng.
• Tăng chiều cao lớp xúc tác
• Giảm vận tốc dòng khí phản ứng
2. Tìm nhiệt độ tối ưu của phản ứng

3. Tìm loại xúc tác có hoạt tính cao
19


Động học của phản ứng xúc tác dị thể.
Phản ứng xảy ra ở vùng khuếch tán: khi mà
vận tốc khuếch tán (vkt) nhỏ hơn nhiều so với
vận tốc động học (vđh).

vkt  vdh
Như vây, vận tốc chung của phản ứng (Vc) sẽ
phụ thuộc vào vận tốc khuếch tán.
Hay:

vC  vkt
20


Vì vậy, để làm tăng vận tốc chung của phản ứng,
ta phải tăng vận tốc khuếch tán.
Các phương pháp có thể làm tăng vận tốc khuếch
tán:
1. Giảm thời gian tiếp xúc giữa chất xúc
tác và chất phản ứng.
• Giảm chiều cao lớp xúc tác
2. Tăng cường sự khuấy trộn

21

22


Động học của phản ứng xúc tác dị thể.
Phản ứng xảy ra ở vùng quá độ: khi mà vận

tốc khuếch tán (vkt) tương đương với vận tốc
động học (vđh).
Đồ thị Arrhenius.




Đồ thị Arrhenius biểu diễn sự phụ thuộc lnk vào 1/T
xuất phát từ phương trình Arrhenius: k = A.e-(Ea/RT)
Do ảnh hưởng khác nhau của nhiệt độ đến vận tốc
khuếch tán và vận tốc động học, nên sự phụ thuộc của
tốc độ phản ứng (V) vào nhiệt độ ( tức là sự phụ thuộc
lnk vào 1/T) biểu hiện khác nhau trong các vùng phản
ứng. Độ dốc của đường biểu diễn của vùng động học
lớn hơn độ nghiên trong vùng khuếch tán.
23


Sự phụ thuộc lnk vào 1/T trong các vùng phản ứng

Hệ số góc
tgα = Ea/R
 Ea = R. tgα

Ea vùng khuếch tán rất nhỏ ( Ea kt=05 kcal/mol), Ea vùng động học khá
lớn ( Ea dh > 10 kcal/mol).
Trong vùng khuếch tán, lnk ít
phụ thuộc vào nhiệt độ ( tức là
vận tốc vùng kt ít phụ thuộc
vào nhiệt độ), còn ở vùng dh
lnk phụ thuộc vào nhiệt độ rất
lớn.

24


Từ đồ thị Arrhenius, ta rút ra được một số kết luận:

ở vùng nhiệt độ thấp, giai đoạn chậm nhất
là giai đoạn động học và như vậy phản ứng
xảy ra trong vùng động học.
ở vùng nhiệt độ cao, giai đoạn chậm nhất là
giai đoạn khuếch tán và như vậy phản ứng
xảy ra trong vùng khuếch tán.

25