作品說明書題目：氣固催化反應(yīng)的控制步驟及其對反應(yīng)速率影響的消除

1、作品說明書題目：氣固催化反應(yīng)的控制步驟及其對反應(yīng)速率影響的消除小組成員：張嘉興、擁鑫、劉煜、劉彥聰中國石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院指導(dǎo)老師：藍(lán)興英1 綜述作為一名化工專業(yè)的學(xué)生， 一名未來的化學(xué)工程師， 化學(xué)反應(yīng)工程是一門必須熟練掌握的課程。就整個化工過程而言，化學(xué)反應(yīng)在其中占據(jù)最重要的位置，是一切生產(chǎn)過程的最基本出發(fā)點(diǎn)。所以學(xué)好化學(xué)反應(yīng)工程這門課非常重要。但化學(xué)反應(yīng)工程也是一門比較抽象， 比較難于理解的學(xué)科。 在學(xué)習(xí)的過程中，我們很多時候是利用前人做實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論及總結(jié)成的公式進(jìn)行學(xué)習(xí)。 然而，通過講解和理論推導(dǎo)很難想象出具體的過程， 這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)理解的過程中遇到很多困難。能否用一種更加形象

2、具體的方法來描述這個過程呢？基于此目的， 我們組通過制作一個介紹視頻， 向大家展示氣固催化反應(yīng)的進(jìn)行過程 （從擴(kuò)散到反應(yīng)再到擴(kuò)散），以及內(nèi)外擴(kuò)散控制產(chǎn)生的原因及消除其對反應(yīng)速率的影響的方法。2 氣體反應(yīng)分子的擴(kuò)散過程及受到的阻力對于氣固催化反應(yīng)， 氣體反應(yīng)物分子要經(jīng)過擴(kuò)散過程， 首先通過固體催化劑表面的滯留層， 然后穿過催化劑的內(nèi)部孔道， 再吸附到催化劑內(nèi)部孔道表面的活性中心上進(jìn)行反應(yīng)。氣體分子在穿過催化劑表面的滯留層， 擴(kuò)散到催化劑外表面的過程中， 會受到滯留層阻力的影響， 因此催化劑內(nèi)部的氣體反應(yīng)物濃度低于氣相反應(yīng)物主體的濃度，此阻力稱為外擴(kuò)散阻力； 同樣地，反應(yīng)物分子在從催化劑表面擴(kuò)散到

3、催化劑內(nèi)部活性中心的過程中會受到另一種阻力的影響， 因此催化劑內(nèi)部氣體反應(yīng)物濃度也會低于氣體主體濃度， 此阻力我們稱為內(nèi)擴(kuò)散阻力； 另外，氣體分子在活性中心上反應(yīng)的過程也會因?yàn)闇囟鹊仍?，有不同的反?yīng)速率。若總反應(yīng)過程由一系列快慢懸殊的連續(xù)步驟組成，總反應(yīng)速率就取決于其中最慢的一步， 即控制步驟。 氣固催化反應(yīng)就是這樣一個過程， 當(dāng)上述的三種影響反應(yīng)速率的因素分別占據(jù)主導(dǎo)時， 其對應(yīng)的控制步驟就分別稱為外擴(kuò)散控制， 內(nèi)擴(kuò)散控制和化學(xué)反應(yīng)控制。3 作品內(nèi)容介紹我們假設(shè)所選的催化劑為圓球形催化劑， 通過對催化劑進(jìn)行剖切， 作出催化劑的剖視圖，根據(jù)實(shí)際的催化劑內(nèi)部圖像， 利用曲線線條做出催化劑內(nèi)部的

4、孔道圖，活性中心顆粒鑲嵌在催化劑的孔道內(nèi)壁上。 利用不同顏色的球形， 以圖像組合的方式表示反應(yīng)物和產(chǎn)物。利用 Flash軟件，把反應(yīng)物分子從氣相主體到催化劑內(nèi)部活性中心的擴(kuò)散路徑描述出來，同時分步驟描述出各個阻力產(chǎn)生的位置。 在內(nèi)外擴(kuò)散阻力消除的過程中，外擴(kuò)散的消除方式是增大氣速。 在增大氣速的過程中， 以滯留層的厚度變薄與內(nèi)部氣相濃度增加的方式來表現(xiàn)外擴(kuò)散過程的消除。 內(nèi)擴(kuò)散消除的方法是減小催化劑的粒徑， 以隨著粒徑減小， 催化劑內(nèi)部反應(yīng)物濃度增加的動態(tài)過程表現(xiàn)內(nèi)擴(kuò)散阻力的消除； 對于反應(yīng)控制的過程， 通過改變反應(yīng)物的溫度來改變反應(yīng)速率。4 作品的創(chuàng)新點(diǎn)1）在已有的理論基礎(chǔ)上，通過動畫的形式

5、來描述氣體分子從氣相主體擴(kuò)散到催化劑內(nèi)部通道的活性中心上的過程。 與課堂上老師用語言描述或者通過圖片描述的過程相比，更能生動形象地表現(xiàn)擴(kuò)散的過程，將靜態(tài)的圖片賦予動態(tài)感，更易理解。2）在描述消除擴(kuò)散過程方法時，傳統(tǒng)的方法是利用理論闡述。以外擴(kuò)散為例：如闡述流速與外擴(kuò)散有效因子的關(guān)系，多是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 做出流速與外擴(kuò)散有效因子在不同反應(yīng)級數(shù)下的圖像，以此來描述流速對外擴(kuò)散的影響。而我們組是通過 Flash軟件，將流速改變過程中滯留層厚度的變化及催化劑內(nèi)部氣體濃度的變化結(jié)合起來，形成一個動態(tài)連續(xù)的過程，便于理解。3）同時配有語言講解， 方便同學(xué)們理解記憶。 另外，老師在上課的過程中，再結(jié)合課件進(jìn)

6、行講解， 可綜合新型課件與傳統(tǒng)教學(xué)模式的優(yōu)勢，加深同學(xué)們對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。5 應(yīng)用舉例1）我們組的作品可以作為教師的課件使用，其中含有的大量gif 素材也可以直接插入其他課件當(dāng)中， 既有理論推導(dǎo)又有動畫演示， 能對老師的教學(xué)起到很好的輔助作用。2）現(xiàn)在很多學(xué)校推廣網(wǎng)絡(luò)課堂，我們組的作品可以作為網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)視頻中的一部分內(nèi)容，突破傳統(tǒng)教學(xué)的模式。3）可以作為課前預(yù)習(xí)的材料。學(xué)生可以利用我們的作品進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，更好地理解氣固催化過程及消除內(nèi)外擴(kuò)散的方法，為上課做準(zhǔn)備。6 后續(xù)的想法及目標(biāo)我們本次做的作品是通過二維動畫的形式來向大家展示擴(kuò)散的過程， 后續(xù)可以利用 3D 的形式。以反應(yīng)物為第一視角來表現(xiàn)反應(yīng)物分子在整個催化反應(yīng)過程中的擴(kuò)散路徑，這會使內(nèi)容描述清晰程度與美感都得到提升。 3D 的展示過程更加接近實(shí)際情況，能讓大家更好地理解。最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)畫面可控， 即將整個擴(kuò)散反應(yīng)的過程進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)， 在改變外部條件時可以實(shí)現(xiàn)控制步驟的轉(zhuǎn)變， 可以更好地闡述不同外部條件對擴(kuò)散過程的影響程度及消除內(nèi)外擴(kuò)散控制的方法的