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接下来给大家讲一下就是催化剂活性的计算方法

我们前面只是给大家介绍了转化率 选择性

应该由什么样公式计算

介绍了活性的定义 比如TOF的值 TOR值怎么算

然后是工业催化剂的

时空产率或是空时收率怎么计算的公式

我们这里通过一个稍微复杂点的例子

给大家详细介绍一下活性的计算方法

我们这里给大家介绍是一个

一个比较经典的反应

是一个甲醇氧化脱氢生成甲醛的反应

我们都知道甲醛是一个非常重要的化工品

而甲醇的话

我们现在可以大量的通过煤化工

天然气化工得到

它的价格是比较低的

如果能够用它得到甲醛

它的经济效益非常好

但是 我们之所以会考虑到用氧化反应来做脱氢反应

是利用氧化反应是一个放热反应

这个反应 热效应的利用非常好

所以说如果能够把它推广或应用

实际上意义非常大的

但是这个反应氧化脱氢又存在一个问题是

它的副产物会非常多

因为氧化反应 应该知道

它是一个极剧烈的反应

很难控制只得到甲醛

比如说 甲醇生成甲醛

如果甲醛跟氧气进一步反应

可以生成甲酸

然后甲酸跟甲醇就可以发生酯化反应

生成甲酸甲酯甲醛

还可以跟甲醇反应生成二甲氧基甲烷

然后除此之外

如果催化剂 比如说用了钼的杂多酸催化剂

甲醇和甲醛还会发生什么

甲醇脱水反应生成二甲醚

所以 这里除了主要目标产物是甲醛外

我们还得到二甲氧基甲烷 甲酸甲酯和二甲醚

那么 我们要考察催化剂活性 什么活性 我们说了

我们指的这个反应是甲醇跟氧气反应成为甲醛

大家看一下甲醇和甲醛的最重要的区别是

甲醇分子式少掉了一个氢气分子

也就是说 这个反应叫做氧化脱氢反应

所以 一般来说 我们要求知道的是

这个含钼杂多酸的氧化脱氢反应的性能

如果要计算氧化脱氢反应性能

大家可以思考一下 我们是

应该只考虑反应产物里面的单独的甲醛产物

还是要同样考虑到二甲氧基甲烷

甲酸甲酯和二甲醚的分子里面

有没有是氧化脱氢产物的含量

很显然 如果要看

比如说 要求的氧化脱氢的活性

这个时候就要考虑甲醛的量

还有二甲氧基甲烷里面的甲醛的量

还有甲酸甲酯里面甲醛的量

因为 可以看一下二甲氧基甲烷

三个碳里面有一个碳是由甲醛得到的

然后 甲酸甲酯两上碳里面有一个碳也是从甲醛得到的

也就是 现在产物里面

要考到氧化脱氢产物的活性

就要考虑甲醛的生成量

还有1/3的二甲氧基甲烷的含量

还有甲酸甲酯 1/2甲酸甲酯的含量

大家看一下 这是不是一个比较复杂的计算过程

实际上 我们之所以给大家讲这种复杂计算 是因为

我们大多数同学在实际的研究过程中接触的反应

都是这么复杂的反应

并不是像大家理想中反应 就是

只有单一的产物 或主产物和副产物

主产物和副产物之间没有关联

实际上 主产物和副产物有很多的关联

那我们来看一下 PPT上的评价条件

如果在240℃的固定床反应器里面

甲醇的进料速度是0.1毫摩尔每秒

这个时候我们得到一个产物分布

我们通过气相色谱标定得到它的产物

这个条件下是稳态的时候得到的产物分布

我们得到的是甲醇的含量 产物里面是0.046毫摩尔

甲醛是0.001毫摩尔

二甲氧基甲烷是0.003

甲酸甲酯是0.004

还有一个二甲醚是0.005

大家可以看到 这个反应有什么特点

从这数值上看 我们基本上可看到

这个反应甲醛的选择性是非常低的

主要的产物是是二甲醚 甲酸甲酯和二甲氧基甲烷

也就是说 甲醛在这个催化剂里 它很容易

甲醛在这反应里很容易进一步转化

生成二甲氧基甲烷或甲酸甲酯

同时还发生一个副反应 就是原料甲醇

还发生了生成二甲醚的反应

那么 我们要求算的是什么

我们要计算活性

我们首先第一个要算的 要知道是反应的转化率

求出了转化率后 我们还要知道它的选择性

我们前面给大家说了

我们强调选择性可以有重量选择性 质量选择性 摩尔选择性

那我们这里给大家看一下

甲醛的摩尔选择性和碳选择性有什么样区别

我们再来看一下题目里第三步骤 就是我们要算

氧化脱氢的反应活性的时候

我们不仅要知道它的转化率

还要知道氧化脱氢产物的碳选择性和收率的数值

我们先一步一步来看一下整个计算方法

首先 我们来看一下转化率的计算过程

转化率的计算过程

当时给的转化率定义是

转化率等于转化掉了

转化掉了反应物的总量比上原料中反应物的总量

这里原料就是反应物 是甲醇

因为我们 大家可以看这反应过程

可以看到 甲醇变成甲醛

甲醛 甲醇变成二甲氧基甲烷

还有甲醇和氧气反应

还有甲醇生成甲酸甲酯

还有 甲醇生成二甲醚反应有什么特点

就是 所有的反应过程是一个碳平衡的过程

所以 也就是说这个反应

要得到一个准确的转化率 选择性

我们能用的是用碳平衡是最好的方法

所以 我们可以看一下应该怎么计算

因为在实际的反应过程中 我们碰到的都是

用气相或液相色谱来分析反应物

反应物和产物的浓度

所以 如何把反应物和产物的浓度

归因于我们

基本定义里面的转化率计算

比如说 反应物原料的总量 可以怎么算

我们可以把所有产物里面

所有物质的总的碳数的加和起来 就是反应物原料

然后把反应物和产物里面扣除掉甲醇 把其它产物加起来

所有的碳的含量就是转化掉的反应物的总量

所以 我们把它上面的计算方法带入这个公式

就可以得到 转化率正好是等于反应里面反应产物

甲醛的物质量 然后二甲氧基甲烷

乘以三倍的摩尔量

甲酸甲酯乘以两倍的摩尔量

二甲醚乘以两倍的摩尔量

而我们的反应原料是把上面这些产物加起来

还加了一个什么大家可以看一下

我们还加了一个甲醇的摩尔含量

因为甲醇只有它碳所以 我们用一倍数

二甲氧基甲烷有三个碳 所以我们乘三

这样就保证碳数的平衡

然后 我们把所有的物质 大家看一下

因为反应是在同一体系下进行的

浓度和体积一样

所以我们可以把物质的量体现在浓度的比值

所以 最终可以得到 我们这个反应的转化率是37.8%

所以 第一步就根据反应产物分布的结果

可以得到反应物的转化率的数值