第二章-气固相催化反应宏观动力学.ppt

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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、质领教过程对总体速率的影响Overallprogressionofheterogeneouslycatalysedreaction反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面----外扩散反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散----内扩散在催化剂内部孔道内组成的内表面上进行催化反应----化学反应产物从催化剂内表面扩散到外表面----内扩散产物从外表面扩散到气流主体----外

2、扩散A（g）B（g）AB⑴⑹⑵⑺⑶⑷⑸cAGcAS多相催化化学反应过程步骤第二章　气－固相催化反应宏观动力学宏观动力学,又称为总体速率: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（　　）到低（　　）的连续分布。距离0C

3、ACAgCASCACRpC*A距离0CACAgCASCAC=C*ARp2-2内扩散有效因子与总体速率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。ks-按单位内表面积计算的速率常数f（cAS）-按外表面上反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数f（cA）-按催化剂颗粒内反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数Si-单位体积催化剂床层中催化剂的内表面积ζ的数值大小代表什么？ζ的数值一般在（0,1）之间。ζ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，催化剂颗粒越

4、有“效率”。ζ的数值越接近0，则正相反。距离0CACAgCASCACRp距离0CACAgCASCACRpζ→1ζ→0第一节气-固相催化反应的宏观过程在定态下，单位时间内从催化剂颗粒外表面由扩散作用进入催化剂内部的反应组分量与单位时间内整个催化剂颗粒中实际反应的组分量相等。对于整个反应过程而言，定态时单位时间内气相主体扩散至颗粒外表面的反应组分量也等于颗粒内的实际反应量，因此：(rA)g-组分A的宏观反应速率Se-单位体积催化剂床层中颗粒外表面积kG-外扩散传质系数若在颗粒内发生的是一级可逆反应，则f(cAs)=

5、cAs-cA*，有：第一节气-固相催化反应的宏观过程推动力阻力外扩散阻力化学反应阻力内扩散阻力ζζζiseGAAggAiseGgAAAgisgAAASeGgAASAgSkSkccrSkSkrccSkrccSkrcc11)(11)()()(***＋－＝＋＝－两式相加：öççèæ=-=-Ts和Tg分别是颗粒外表面及气流主体的温度，为气流主体与颗粒外表面的给热系数第一节气-固相催化反应的宏观过程三、催化反应控制阶段的判别1、本征动力学控制这种情况一般发生在外扩散传质系数较大和外表面积相对较大．催化剂颗粒较小的时候。

6、2．内扩散强烈影响此种情况发生在催化剂颗粒相当大，并且外扩散传质系数和反应速率常数都相对较大的时候。3．外扩散控制此种情况发生在活性组分分布均匀．催化剂颗粒相当小．外扩散传质系数相对较小而反应速率常数又相对较大的时候。如果反应是二级不可逆反应，反应的宏观速率可表示：()()，上式变成：＝，则如果过程为外扩散控制＋＋－值代入外扩散速率式：将＋＋－＝：解此二元一次方程，得=ïþïýüïîïíìúúûùêêëé++-=úúûùêêëé-=-==-+Þ=-=AgeGgAASeGAgisisGAgeGisAgeGiseG

7、AgeGASAgeGgAASisAgeGiseGASAgeGASeGASisASisASAgeGgAcSkrcSkcSkSkSkcSkSkcSkSkSkSkcSkccSkrcSkcSkSkSkSkccSkcSkcSkcSkccSkreGeG)(0411224)(240)(222222xxxxxxxx第二节　催化剂颗粒内气体的扩散催化剂中气体扩散的形式分子扩散：阻力来源于分子间的碰撞，与孔半径无关Knudsen扩散：主要是分子与孔壁的碰撞构型扩散：与分子大小的数量级相同表面扩散：是吸附在催化剂内表面上的分子向着表

8、面浓度降低的方向移动的迁移过程2－4催化剂中气体扩散的形式2－4催化剂中气体扩散的形式扩散系数代表（单位浓度梯度时的）扩散的强度构型扩散表面扩散Favouredinmicropores,atlowtemperatures,lowpartial-/total-pressureandahighdegreeofcoverage表面扩散研究较少，对于较高温度下气固反应，可忽略不计Knudsen