多孔物质气固反应动力学研究_刘文钊.pdf

中国科学: 化学 2012 年 第42 卷 第8 期: 1210 ~ 1216 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 多孔物质气固反应动力学研究 * * 刘文钊, 余剑 , 张聚伟, 高士秋, 许光文 中国科学院过程工程研究所; 多相复杂系统国家重点实验室, 北京100190 *通讯作者, E-mail: yujian@; gwxu@ 收稿日期: 2011-12-12; 接受日期: 2012-04-11; 网络版发表日期: 2012-07-23 doi: 10.1360/032011-833 摘要 利用自主研制的微型流化床反应分析仪(MFBRA)在等温条件下测试了高比表面活性 关键词 炭氧化反应, 并根据基于固体转化的热分析动力学方法及考虑气体在微孔内扩散与反应的应 多孔物质 微型流化床 用化工动力学方法求算了动力学参数. 在内外扩散抑制最小化的实验条件下, 粒径小于 5 μm 热分析动力学 的活性炭在700~1000 ℃的燃烧反应动力学研究表明, 根据微型流化床中实验数据, 采用等温 随机孔模型 热分析动力学方法求算得内扩散控制区活化能约为95 kJ/mol; 引入化工动力学方法中的随机 孔模型对低温区等温燃烧数据拟合, 可得孔结构参数在 0.17 m3 左右, 反应活化能为 178 kJ/mol, 约为内扩散反应活化能的两倍, 最为接近本征的碳燃烧反应活化能. 1 引言 参数亦不同, 并提出加权平均活化能的概念; Weisz 等[6]运用缩核模型对热重分析仪中铝硅系催化剂积 多孔介质气固反应涉及化学、化工、能源、环境 [7]发 碳燃烧对反应动力学规律进行了研究; 向银花等 和材料等诸多行业, 如冶金和化学工程常采用多孔 现两段 DAEM 模型能准确地描述部分气化煤焦的燃 物质作为反应介质, 多相催化反应所采用的催化剂 烧行为; Raymond 等[8]采用热重分析仪研究了随机孔 也常为多孔介质[1], 此外还涉及非催化气固反应的能 模型对富含矿物质和惰性煤素质的煤焦燃烧的内扩 源物质热转化过程等. 在上述研究领域, 多孔介质的 散控制动力学规律的适用性. 高比表面与微孔结构使得反应具有特殊性, 反应动 上述多孔介质气固反应大多采用等温气体切换 力学的测试与求算方法受到广泛的关注. 或是快速升温的实验方法研究反应特性; 而相应的 多孔介质反应分析测试大多采用热分析仪器, 动力学的计算方法则大体可分为基于固体转化率的 辅助显微成像、光谱分析等手段[2, 3]研究反应动力学, 热分析动力学方法与基于气体在微孔中传质及介质 或是采用各种自制的固定床反应器匹配气体在线分 孔道变化的应用化工动力学方法. 各研究者对于相 析手段对此类反应进行研究. 其中热分析技术凭借 同的多