反应工程第二章气固相催化反应宏观动力学

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1、第二章　气－固相催化反应宏观动力学第一节　气－固相催化反应的宏观过程第二节　催化剂颗粒内气体的扩散第三节　内扩散有效因子第四节　气－固相间热、质传递过程对总体速率的影响OverallprogressionofheterogeneouslycatalysedreactionReactionsteps1.Externalfilmdiffusion2.Internalporediffusion3.Adsorptiononactivesites4.Surfacereactiontoproducts5.Desorptionofproducts

2、6.Internaldiffusionofproducts7.Externaldiffusionofproducts气－固相催化反应反应步骤CACBsB⑴(6)⑵(7)⑶反应物ACAgCAs气膜微孔载体反应表面颗粒外表面气相主体产物CBg(4)(5)A（g）B（g）第二章　气－固相催化反应宏观动力学宏观动力学macrokinetics包括了物理因素的反应速率又称为总体速率globalrate——指单位（床层）体积、单位时间的反应物消耗量单位（床层）体积、单位时间的反应物消耗量第一节　气－固相催化反应的宏观过程2－1气－固相催化反应过

3、程中反应组分的浓度分布由于不断地反应消耗，颗粒内的反应物浓度低于流体主体处的反应物浓度；由于不断地反应生成，颗粒内的产物浓度高于流体主体处的产物浓度。从流体主体到颗粒中心，形成了反应物（产物）浓度由高（CAg）到低（CAc）的连续分布。距离0CACAgCASCACRpCA*毛泽东（1893－1976）2-2内扩散有效因子与总体速率Effetivenessfactor由于内扩散阻力的影响，越靠近中心，反应物浓度越低，因而反应越慢。稳态时，就单个颗粒对反应物进行物料衡算，易知：颗粒内的反应速率＝透过外表面的扩散速率＝＝反应物由气流主体向

4、外表面的传质速率的数值大小代表什么？η的数值一般在（0,1）之间，特殊情况下会大于1（比如负级数反应）。η的数值越接近于1，说明颗粒内部反应物浓度越接近外表面浓度，内扩散影响因素越小。这时，颗粒实际反应速率与“虚拟反应速率”越接近，这时，催化剂颗粒越有“效率”。η的数值越接近0，则正相反。距离0CACAgCASCACRp距离0CACAgCASCACRpη→1η→0CA*CA*上式联立后消去中间变量CAs,即可获得形式上的宏观动力学方程式。以一级可逆反应为例：宏观动力学方程（关联总体速率与“总体”变量）颗粒内的反应速率＝反应物由气流

5、主体向外表面的传质速率2－3催化反应阶段的判别1。本征动力学控制2。内扩散强烈影响3。外扩散控制1。本征动力学控制0CACAgCASCACRp1。本征动力学控制CA0Rp1。本征动力学控制0CARp1。本征动力学控制0CARp1。本征动力学控制0CARp1。本征动力学控制0CARp0CACAgCASCACRp2。内扩散强烈影响0CARp2。内扩散强烈影响0CARp2。内扩散强烈影响0CARp2。内扩散强烈影响0CACAgCASCACRp3。外扩散控制0CARp3。外扩散控制0CARp3。外扩散控制0CARp3。外扩散控制0CARp3

6、。外扩散控制0CARp3。外扩散控制测定气固催化本征动力学时，必须消除内、外扩散的影响，使过程属于动力学控制。原因：仅在这种情况下的宏观动力学与本征动力学相同。措施：增大外扩散传质质数（增强对流）及催化剂颗粒的外表面积；减小催化剂颗粒。测定本征动力学的基本要求二级不可逆反应若本征动力学方程为二级不可逆反应，则有：总体速率方程若为外扩散控制,CAs=0，则:n级不可逆反应对于不可逆反应，当为外扩散控制时，到达颗粒外表面的反应组分在“一瞬间”就全部反应掉，总体速率成线性关系，与反应级数无关。若为外扩散控制，CAs=0，则有：第二节催化

7、剂颗粒内气体的扩散概述气－固相催化反应中的固体催化剂是多孔性的，内部具有许多微孔，孔壁就是反应面。反应物只有进入颗粒内部才能起反应。本节研究气体在颗粒内的扩散过程，这是气－固相催化反应宏观动力学的重要内容之一。1.气体进入颗粒内部的传质方式颗粒外表面和颗粒内部具有压力差，但由于颗粒较小（一般为d＝3～5mm），压力差忽略不计。在没有压力差的情况下气体进入颗粒内部的传质方式是分子热运动，分子热运动的结果就是发生分子扩散。气体进入颗粒内部的传质方式是分子热运动（分子的随机走动）。第二节催化剂颗粒内气体的扩散2.分子扩散的阻力分子扩散的阻

8、力主要来自两方面。1)分子与分子之间的碰撞，使分子改变运动方向；2)分子与孔壁间的碰撞，孔壁是刚性的，更易改变分子的运动方向。这两种碰撞不断改变分子运动的方向，使分子停滞不前，这就是分子扩散的阻力。第二节催化剂颗粒内气体的扩散在颗粒内