实验十一气固相催化反应宏观速率的测定

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1、实验十一气固相催化反应宏观速率的测定一・实验目的工业反应器中装填的催化剂，一般都是人颗粒，因而，气固相催化反应过程，实际上包括了表面化学反应与热量质量传递两方面。研究只与反应特性有关的本征反应速率，必须消除温差与颗粒内浓度差的彩响，而宏观反应速率,则与气体流动状况、传热及传质过程密切相关。测定得到工业颗粒催化剂的宏观反应速率，便可与微观反应速率对比而得到效率因子实验值。它与计算值比较可鉴别计算模型的优劣，也可直接用于工业反应器设计的模拟放大和操作优化，因而宏观反应速率的测定具有理论研究和实际应用的重要意义。通过这一实验，达到如下冃的：(1)掌握宏观反应速率的测试方法；(2)了解无梯度反应器

2、的性能及操作特点；(3)复习多相催化知识，训练数据处理能力。%1.实验原理与方法当采用工业粒度的催化剂测试宏观反应速率时，反应物系经历外扩散、表面化学反应与内扩散三个主要步骤。由于外扩散影响在许多反应体系屮不太重要口易消除，故气固相催化反应的宏观速率测定结果多为内扩散与化学反应的综合效应。所谓内扩散，即指反应物分了从颗粒外表面向颗粒微孔内表面深处的扩散和生成物分子从颗粒微孔内表面向颗粒外表面的扩散。因此，整个催化剂颗粒内从外表面到屮心的气相浓度是不同的，颗粒外表面上反应物浓度较高，而颗粒屮心反应物浓度最低，形成一个浓度梯度。生成物的浓度分布与梯度方向刚好相反。所以，当控制实验处于等温和其它

3、条件相同时，具有内扩散影响的大颗粒催化剂上的宏观反应速率耍小消除了内扩散影响的小颗粒催化剂上的微观反应速率。常见的气固相催化反应测试用反应器有管式和筐式两类。管式反应器由于其细长的特点，装填大颗粒催化剂后难以消除壁效应和维持等温条件，故匸要用于气固相催化反应本征速率的研究。宏观反应速率的研究主要在筐式无梯度反应器小进行。催化剂颗粒置于不锈钢筐内，不锈钢筐置于反应器内腔，反应器整体置于恒温电炉中，如图11・1所示。图11・1无梯度反应器示意图操作时，由于置于反应器内腔的浆叶高速旋转，使得反应器内的大量气体做内循环运动，而进口引入流量为％、浓度为Cao的少量原料气，岀口引入流量为V,浓度为CA

4、f的少量循环气。当反应为等摩尔反应时，V0=V；当反应器为变摩尔反应时，V可由具体反应式的物料衡算到处，也町用流量计计量。设反应器进口处原料气与循环气刚混合时，浓度为CAi、循环气体量为Vc，列出进口处物料关系式为：=(%+%)%(I)令循环比心=酱，得到C<=CAHC4rA1+RC如1+RCAf0由式(2)可见，当/?C》1时，一50、一^1,即5个5门此1+/?c1+Rc时，反应器内处处浓度相等，达到了浓度无梯度。在配以精密温控仪控制电炉恒温，实现温度无梯度。经实验验证，当Rc>25后，反映的性能便相当于一个理想反应混合器，它的反应速率可以相当简单地用下式求得：(3)式中，仏为催化剂装

5、填量，(cn?)。若按催化剂莹量W/g计算反应速率，则「Aw/cy,(刎)(4)Wg•h因而只要获得原料气流量与反应气体进出口的浓度，便可得到菜点条件卜的宏观反应速率实验值。进一步按一定的设计方法规划实验条件，改变温度和浓度进行实验，再利用合适的数据处理方法，便可获得宏观反应速率方程，这就是宏观动力学研究，此处不作详述。%1.实验流程宏观反应速率测泄的实验流程如图11-2所示。图11-2宏观反应速率测定实验流程图1—钢瓶；2—压力计；3—稳压阀；4—净化器；5—反应器；6—电机；7—皂沫计；8—调节阀配制好的高压原料气从钢瓶1内引出，经过控制压力稳定在实验条件下的减压稳压阀3,流经净化器4

6、,进入反应器5,当实验对压力要求较高时，反应器前后釆用精密压力计测量系统压力。反应后气体经减压稳压阀减至常压后，或引入皂沫流量计计量，或引入分析仪分析气体组成。%1.实验步骤(1)将称量好的丁业颗粒催化剂装入催化剂筐内后，将反应器密封好。若反应所用催化剂需经述原才有活性，则或装入预述原催化剂，或装入未还原催化剂后增加还原步骤：(2)系统分段试压试漏(可用氮气钢瓶)；(3)开启原料气钢瓶，稳压稳流送入实验系统；(4)启反应器温控仪，逐渐升温至实验温度；(5)系统恒温2小时以上后，测取数据；(6)变温度、压力或组成，测取其它点数据；(7)实验完毕，先使温控仪降温，再切断电源，然后将系统缓慢卸压

7、。%1.实验数据记录表实验数据记录表项1=1见下表所示:宏观速率测试实验数据记录农项目序号室温(°C)人气压(Pa)实验压力(MPa)反应温度(°C)气体流量气体组成yV/ml时间(s)进口出口12%1.撰写实验报告(1)写明实验日的与意义；(2)叙述实验原理；(3)说明实验方法与步骤；(4)绘制现场实验流程；(5)列出所有实验数据；(6)算出不同条件下的宏观反应速率值；(7)与本反应系统的本征反应速率进行比较，得到效率