第章气固相催化反应本征及宏观动力学.ppt

1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 内扩散有效因子（内表面利用率）：等温催化剂单位时间内颗粒中的实际反应量与按外表面反应组分浓度及颗粒内表面积计算的反应速率之比。用公式表示为： 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 反应物浓度高 反应物浓度低 内外反应速率不一致 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 1 3 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，因此，内扩散有效因子也可表示为： 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 总体速率通式 在稳定状态下，反应组分A从气相主体扩散通过滞流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化剂颗粒的实际反应速率相等，即总体速率的通式如下： 1 3 (rA)-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(cA)= cA-cA*，有： 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 推动力 阻力 外扩散阻力 化学反应阻力 内扩散阻力 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 上式的物理含义为： 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 总体速率方程包含有外扩散阻力、内扩散和化学反应的阻力。这三部份阻力客观存在，但它们之间的相对大小可能是不相上下，也可能是差别很大。如果它们的相对大小不相上下，则不能忽略各部分阻力。如果它们的相对差别很大，则就可以忽略某一部分阻力，简化总体速率方程。 1 3 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。 1) 本征动力学控制 气相主体 滞流边界层 球形催化剂 0 Rp CAg≈ CAs≈ CAc 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 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。 气相主体 滞流边界层 球形催化剂 0 Rp CAg≈ CAs CAc 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 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。 气相主体 滞流边界层 球形催化剂 0 Rp CAg CAs≈ CAc≈ 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 如果反应是二级不可逆反应，则反应的宏观速率可表示为： 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 内扩散有效因子的求解过程 催化剂内浓度分布 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 解： 1）当1为控制步骤时： S不被吸附，分母中没有 表面反应达到平衡： 2.2 化学吸附与气－固相催化反应本征动力学模型 1 3 2）当2为控制步骤时： 3）当3为控制步骤时： 自己完成 2.2 化学吸附与气－固相催化反应本征动力学模型 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。气－固相催化反应的特点。 1. 反应特点1）反应物和产物均为气体；2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面；3）反应区在催化剂颗粒内表面。 2.反应步骤 反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的，反应分5步进行。 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 CA CBS B ⑴ (4) ⑵ (5) ⑶ 反应物A CAG CAS 气膜 微孔 载体 反应表面 颗粒外表面 气相主体 产物CBG 气－固相催化反应反应步骤 1 3 2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内气体的扩散 1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散；2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔——内扩散；3）反应物在微孔的表面进行化学反应，反应分三步，串联而成： 反应