化学反应工程（郭锴）56-chap 5 气固相催化反应宏观动力学.pptVIP

5 气固相催化反应宏观动力学 不同控制步骤示意 效率因子的概念 5.1 催化剂颗粒内的气体扩散 一、 分子扩散 二、努森(Knudsen)扩散 三、综合扩散 四、有效扩散 例题 5-1 5.2 气固相催化等温反应的宏观动力学方程 （二）球形催化剂等温一级不可逆反应宏观动力学方程 （三）等温球形催化剂上非一级反应宏观动力学程 （四） Thiele模数?S的物理意义 （五） Thiele模数?S对过程的影响 例5-3 5.2.2 其它形状催化剂的等温宏观动力学方程 （二）圆形薄片催化剂宏观动力学方程 （三）任意形状催化剂的等温宏观动力学方程 ?1 规则形状催化剂颗粒的等温宏观动力学方程 ?2 西勒模数的通用表达式 ?3 任意形状催化剂等温宏观动力学 表观反应级数 表观活化能 5.3 非等温过程的宏观动力学 5.3.1 球形催化剂颗粒内的温度分布 5.3.2 非等温条件下的宏观动力学 说明： 有多图，一个γ一张图。 图中： 5.3.3 内扩散对复合反应选择性的影响 分三种情况讨论 ?1 两个独立并行的反应 ?2 平行反应 ?3 连串反应 也就是说，对连串反应，内扩散导致选择性下降。 对内扩散阻力大（η0.2），且有效扩散系数相等的情况下，可以推导得： 推导过程见：Charles G. Hill: An Introduction to Chemical Engineering Kinetics Reactor Design ISBN 0-471-39609-5 5.4 流体与催化剂外表面间的传质传热 5.4.1 流体与催化剂颗粒外表面间的质量传递 （二）气相传质系数kg （三）传质过程对反应的影响 例5-6 解：①计算催化剂的粒径dS ③计算JD和kg值 ④计算CAg和CAS 5.4.2 流体与催化剂颗粒外表面间的热量传递 （二）流体对颗粒给热系数的计算 （三）外扩散过程对表面温度的影响 例5-7 试计算例5-6中催化剂的外表面处温度 已知反应热为(-ΔH)=2.135×105[Jmol-1]，气体的定压比热容CP=49[Jmol-1K-1]。 解： 5.5 催化剂失活 失活动力学 （二）壳层渐进中毒模型 基本假定：中毒吸附速率较快，催化剂外层首先中毒失活，逐渐向内推进—中毒较反应要慢得多 解决失活问题的方法 第5章小结 上式将流固相的温度差与浓度差联系起来了 进一步简化，前面有 极为相似。JHJD相除 催化剂使用一段时间后，活性将下降 ? 结构变化 — 烧结、粉化、活性组分晶粒长大等 ? 物理失活 — 结碳、粉尘、惰性组分吸附等 ? 化学中毒 — 原料中的有害物质与催化剂活性组分发生反应，永久性结合 介绍两种催化剂失活动力学模型： 均匀中毒模型和壳层渐进中毒模型 （一）均匀中毒模型 　　　假设有毒物质的吸附比扩散慢得多，颗粒内表面各处均匀缓慢失活 半径R厚度L，与圆柱正好相反，仅考虑两端的扩散，忽略周边的扩散，在R?dl 圆形薄片体积元内对A进行质量衡算 注意: 对数坐标,因差别不大，可以用球形结果近似 任意形状。 但，不同反应级数差别比较大 对一级反应：反应级数不变 对二级反应：为1.5级 对0.5级反应：为0.75级 结论：在内扩散影响严重的情况下，表观反应级数都向一级靠拢。 原因：扩散过程为线性关系，相当于一级反应。 内扩散阻力很大时 R r 　　大多数反应伴随有热效应，对热效应比较大的过程，热量得不到及时补充或移出，则颗粒内部必出现非等温现象—非等温过程多于等温过程。 在半径为R的球催化剂中取半径为r的球芯作热量衡算 对于球形催化剂在非等温条件下的宏观动力学，可由以下方程联解： 几乎没有可能解析解，通常采用数值解 ?本章前半部分基于催化剂表面的温度、浓度讨论(Dirichlet问题)。但催化剂表面的温度浓度难于测量 ?本节讨论催化剂表面的温度、浓度与气流主体的温度、浓度之间的关系，通过可测量的量建立动力学关系 催化剂颗粒－气流主体之间的热质传递－外扩散过程 5.4.1 流体与催化剂颗粒外表面间的质量传递 由于催化剂表面存在滞流边界层，气流主体浓度与催化剂颗粒表面浓度存在差异。在滞流层内有浓度差，必然存在扩散 （一）基础方程 ? 整个传质方程的核心，总包了各种条件对传质的影响 ? 由实验关联式计算。关联式之一 　　Da为反应速率与扩散速率的比值，反映了体系中外扩散的影响程度。数值越大，或反应速率越快，外扩散的影响就越大 一级反应 二级反应 特殊情况 ? kkg cAS?0 外扩散控制 ? kkg cAS?0 外扩散可忽略 在实验室中，苯加氢反应器在1013.3 [kPa]下操作，气体质量速度G=3000 [k