内扩散对连续反应选择性影响的计算机模拟.pdfVIP

维普资讯 第 35卷第 3期 郑 州 大 学 学 报 (理 学 版) V01．35 No．3 2003年 9月 JOURNALOFZHENGZHOUUNIVERSnY Sep．2003 内扩散对连续反应选择性影响的计算机模拟 王志武 ， 姚俊婷2， 张志坚 ， 郭益群 (1．郑州大学化学系 郑州 450052；2．郑州大学信息工程学院 郑州 450052； 3．新 乡市塑料厂 河南 新 乡 453003) 摘 要：利用计算机编程绘制出内扩散对连续反应选择性 的影响图 ．在低转化率下 ，中间产物 B的收率与 A的转化 率呈线性关系；在高转化率下 ，中间产物 B的收率有极大值 ．相 同的 值下 ，。／ 值越大 ，内扩散影 响越 小；相 同的 ／k， 值越大 ，内扩散影响越大 ，与实验事实完全一致 ．在连续反应 中，可 以方便地从 图上求 得宏观反应 的选择性 ，并根据需要确定反应条件 ． 关键词 ：内扩散 ；连续反应 ；催化 ；选择性 ；模拟 中图分类号 ：0643．31 文章编号：1671—6841(2003)03—0067—03 内扩散在多相催化 中占有很重要的地位 ，因为它制约着物质 的传递 ．特别是对于连续反应 A— B— C，若 B是 目的产物，内扩散直接制约着 B的选择性 ．内扩散是否制约着反应速率，需要通过设计实验来确 定 ，并设法使之在实验条件下降到最低 ．虽然对于多相催化 ，完全消除 内扩散 的影响是不可能的，但若通过实 验测得本征表面速率常数和扩散系数之后 ，从理论上对 B的选择性做 出近似估算 ，则对反应器最佳工艺参 数 的确定 ，并借 以得到最佳 的选择性及收到最佳 的经济效益具有重要意义 ．本文在前人工作 的基础上L1．2J， 求解得到了完整的孔 中催化反应的动力学方程 ，即中间产物 B的收率 yB与反应物A的转化率 的函数关 系 ，并利用计算机求解绘制 了 YB～X 图，对于分析连续反应 的选择性提供 了一种方法 ． 1 理论分析 设连续反应 A B C，其 中，B是 目的产物 ，两个连续反应都是一级反应 ，k和 k2分别是它们 的本 征速率常数 ．设催化剂孔结构为两端开 口的毛细孔，则反应物 A在孔 中的浓度分布函数为… CA／C =cosh[ (1一x／L)]／cosh()，=L√2．i}l／A (1) L 式 中，c 和 CA分别为 的孔 中浓度和孔 口浓度 ； 为距孔 口的距离 ； 为半孔长 ；r为孔半径 ；D 为 A的扩 散 系数 ； 为梯n勒 (rnlieAl e)模数 ， 反映了反应速率和扩散速率的相对大小 ，因此 ， 值的大小实 际上代表 了 内扩散 的影响程度 ， 值越大，内扩散影响越大 ．反应达稳态时，反应物 A的物料衡算为… (rDA／2)(d2cA／dx)=klcA (2) 此式 的物理意义是 内扩散控制下 ，扩散到孔 中的 A等于反应消耗 的A．同理 ，对 B进行物料衡算 一 (rDB／2)(d2cB／dx)=klcA—k2eB (3) 式 中，DB为 B的扩散系数 ．(3)式 的物理意义是从孔 中扩散 出来 的 B等于在孔 中净生成的 B． (1)式代入 (3)式 ，并令 DA=DB=D，得 台一一警一一 ××—— 厂 ㈩， 令 Y= (1一x／L)，则(4)式可转化为 收稿 日期 ：2003一O1—20 作者