第六章气固相催化反应宏观动力学预案.ppt

6 气固相催化反应宏观动力学 6.1.1 分子扩散 6.1.2 努森（Knudson）扩散 6.1.3 综合扩散 6.1.4 以颗粒为基准的有效扩散 6.2 气固相催化等温反应的宏观动力学方程 6.2.1 球形催化剂上等温反应宏观动力学方程 6.2.2 其它形状催化剂上的等温宏观动力学方程 圆形薄片:催化剂的半径远大于其厚度.可忽略侧面扩散. 西勒模数（Thiele）的通用表达式： 6.3非等温过程的宏观动力学 催化反应速率快,热效应大,热量得不到及时补充或移出,就会导致催化剂内部存在温度分布. 6.3.1催化剂颗粒内部温度分布规律 6.3.2非等温条件下宏观动力学方程 6.3.3内扩散对复合反应选择性的影响 6.3.1催化剂颗粒内部温度分布规律 热衡:范围:半径为R的球体,取半径为r的体积元 定常态下,体积元放出的热量=反应放出的热量 6.3.2非等温条件下宏观动力学方程 宏观动力学方程: 6.3.3内扩散对复合反应选择性的影响 1、两个独立并存的反应: 6.4流体与催化剂外表面间的传质传热 6.4.1流体与催化剂外表面间的传质 6.4.2流体与催化剂外表面间的传热 6.4.1流体与催化剂外表面间的传质 1、外扩散:气相主体向催化剂外表面扩散 2、传质方程: 6.4.2流体与催化剂外表面间的传热 由于气体与催化剂颗粒外表面存在层流边界层,造成流体主体与颗粒外表面处的温度不同. —END THE CHAPTER 该方程组的解见图6-6,其中: 采用速度比表示选择性: 无内扩散影响时: 有内扩散影响时: 内扩散影响大时: 因为k1k2,有内扩散影响时Sp就降低了 2、平行反应: 瞬时选择性: 无内扩散影响时Sp: cA=cAS 有内扩散影响时Sp′: cA=cAi显然: cAicAs 当 m=n Sp′= Sp mn Sp′ Sp mn Sp′ Sp 内扩散使反应级数大的选择率下降 3、连串反应: 一级反应选择性为: dr R r CS CS Cg Cg r 0 图6-1 球形颗粒内浓度分布 Cpi CpS 在催化剂内部,cp/cA随位置不同而不同 反应物A的浓度从CAS逐渐降低到CAi(r=0) 中间产物P则相反.从Cpi(r=0)逐渐降低到Cps 因此:愈往粒内,选择性愈小 3、气相传质系数:反映传质过程阻力大小 当0.3Rem 300时: JD=2.10Rem-0.51 当300Rem 6000时: JD=1.19Rem-0.41 ds催化剂比表面当量直径cm;εB床层空隙率 式中:ρg:气相密度g/cm3;G气体质量流速g/(cm2s) 施密特准数 4、传质过程对反应的影响: 物衡： Da：坦克莱(Damkohler)准数:化学反应速率与外扩散速率之比.其值越大,则外扩散影响越显著. 一级反应: 二级反应: 有外扩散影响的动力学方程为: 若k?kg则外扩散为控制步骤 若k?kg则不是外扩散控制步骤 流体对颗粒的给热系数: 当0.06Rem 300时: JH=2.26Rem-0.51 当300Rem 6000时: JH=1.28Rem-0.41 普兰特准数: 计算:根据Rem→ JH →αg 单位时间传递的热量: * 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang * Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology 化学反应工程 化学工程及工艺教研室 魏刚 第六章 气固相催化反应宏观动力学 6.1 催化剂颗粒内气体扩散 6.2 气固相催化等温反应的宏观动力学 6.3 非等温过程的宏观动力学 6.4 流体与催化剂外表面间的传质和传热 6.5 催化剂的失活 本征动力学 研究 固相上某一点与该点相接触的气相之间进行化学反应的反应速率关联式 排除了内、外扩散影响后的化学反应动力学 宏观动力学 研究 催化剂颗粒体积（或质量）为基准的平均反应速率与影响因素之间的关联式 二者之间的关系是： 6.1 催化剂颗粒内的气体扩散 多孔催化剂颗粒内的扩散=f（路径、孔径、扩散机理） 孔径很大时，分子的扩散阻力，主要由于分子间的碰撞所致。 分子扩散 当微孔的孔径小于分子的平均自由程（约0.1μm)时，分子的扩散阻力主要是分子与孔壁的碰撞所致。 努森扩散 某些分子筛的孔径极小（约0.5~1nm） ，与分子大小的数量级相同，这样小的微孔中的扩散与分子的构型有关。 构型扩散 单位时间内气相物质的扩散速率可用费克（Fick）定律来描述： 费克（Fick）定律 对于沿Z轴方向的一维扩散，扩散通量 与浓度梯度成正比