8章-1气固反应.ppt

中南大学 第 8 章 多相反应动力学 多相反应中，参与反应的各组分处于不同的相中，化学反应大多发生在相界面上。多相反应的一般步骤： ① 反应物粒子从其原相内向相界面处扩散； ② 反应物粒子在相界面处发生初步相互作用，如吸附等； ③反应物粒子在相界面处按一定的历程进行化学反应； ④ 产物粒子从相界面上脱离，如解吸等； ⑤ 产物粒子向某确定相扩散。 8.1 多相反应的一般特征 根据多相反应的类型不同，上述一般步骤中的② 、 ④ 有时可能可以忽略，但① 、 ③、 ⑤ 是基本步骤。每一步都具有一定的阻力。传质过程的阻力为传质系数的倒数，化学反应的阻力可用反应速率常数的倒数表示。 多相反应的各步是串联进行的，因此反应的总阻力等于各步阻力之和。 第 8 章 多相反应动力学 8.1 多相反应的一般特征 另：多相化学反应属于区域化学反应，其速率不能以体积浓度的变化率表示。通常用摩尔量变化率或转化率来表示： 分别为某反应物的初始质量和瞬时量。 第 8 章 多相反应动力学 8.1 多相反应的一般特征 第 8 章 多相反应动力学 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 气固反应中最简单的体系是不形成固体产物的致密性固体与气体的反应： B A CA0 气膜 可用颗粒收缩模型描述。如图。 B A CA0 气膜 反应步骤为： ① A由气流主体经气膜扩散到颗粒表面； ② 表面上A与B反应；（假设对A为一级） ③产物H经气膜扩散到气流主体。 既只需考虑气膜扩散和化学反应步骤。当某步骤为慢步骤时，则整个反应的速率就有该慢步骤决定（控制步骤）。可分以下几种情况讨论： 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 8.2 气固相反应 （I） 气膜扩散控制 设初始颗粒半径为r0，到时间t时缩小为r。当A在气膜中扩散为控制步骤时，A在颗粒表面的浓度近似为零（因化学反应很快）。则A的传质速度为： 又因： 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 8.2 气固相反应 （I） 气膜扩散控制 据反应计量关系有： 所以： 得： 代入积分得： 上式中传质系数由经验公式解得： yi 为惰性组分在扩散膜两侧的平均摩尔分数 完全反应（r=0）所需时间： 所以： 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 （I） 气膜扩散控制 所以： B的转化率： 最后得： （I） 气膜扩散控制 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 8.2 气固相反应 得： 若过程由化学的速度控制，既扩散很快，故可认为A在界面上和主体中浓度相等，所以： 积分得： 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 （II）化学反应控制 (II) 化学反应控制 若颗粒为其它形状，当为化学反应控制时有： 立方体： 完全反应（r=0）所需时间： 所以： 圆柱体： 平板： 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 (III) 混合控制 达稳态后，两者应相等，从而得： A的化学反应速度为： 所以： 混合控制时，界面处A的浓度为CAs。 则A的传质速度为： 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 同样，用： 由： 得： 代入上式并积分得： 若令： 8.2 气固相反应 8.2.1 无固体产物的致密颗粒与气体的反应 (III) 混合控制 在反应气体浓度较低时，yi=1，并令： 则： 则： 相当于扩散阻力与化学反应阻力之比。其大小可判断整个反应主要为哪一步所控制： 为界面化学反应控制； 为气膜传质控制； 为混合控制； (III) 混合控制 如金属氧化物还原、金属氧化等属于此类反应，可表示为： B A CA0 气膜 H CAs CAc 如图示，随著反应进行，未反应的核不断缩小。反应发生在固相产物与未反应核的界面上。A也能在产物层中扩散。一般当作稳态处理。假设反应前后颗粒半径（r0）不变。 8.2 气固相反应 8.2.2 有固体产物层的致密颗粒与气体的反应 （I） 气膜扩散控制 即传质阻力全集中在气膜扩散中。假设气体流速不变，则气相传质系数（kg）为常数。且此时颗粒外表面A的浓度为零。所以，气膜中A的扩散速度为： 据反应计量关系有： 所以： 8.2 气固相反应 8.2.2 有固体产物层的致密颗粒与气体的反应 所以： 得： 积分得： 完全反应（xB=1 ）所需时间： 8.2 气固相反应 8.2.2 有固体产物层的致密颗粒与气体的反应 （I） 气膜扩散控制 （II） 固相产物层内的扩散控制 即传质阻力全集中在固相产物层的扩散中。此时颗