气固相催化反应宏观动力学.ppt

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 * （一）基础方程 　　　（牛顿冷却定律） 关键的是给热系数的确定 （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 * 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 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 * 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 失活动力学 * （一）均匀中毒模型 　　　假设有毒物质的吸附比其在微孔内扩散慢得多，颗粒内表面各处均匀缓慢失活。 * （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，逐渐向内推进直至全部失活，但中毒较反应要慢得多 * * 解决失活问题的方法 * 1、改进催化剂 — 加强耐高温、抗毒性 2、采用“ 中期活性”设计反应器 — 反应器设计时打出充分的余量 3、严格控制操作条件—控制原料气中毒物的含量及反应温度等 4、优化操作，弥补活性下降—催化剂活性下降后，采用例如升温等方法弥补 第5章小结 * 1、宏观反应速率和效率因子的概念 2、催化剂颗粒的孔内扩散（分子扩散、努森扩散和综合扩散），有效扩散和曲节因子的概念。 3、等温和非等温反应宏观动力学的通用表达式及计算 4、重要准数的定义与含义（西勒模数、能量释放系数、阿累尼乌斯数、坦克勒准数等） 5、内外扩散对宏观反应特性的影响（选择性、失活） * 整理得： 从效率因子与φS的关系可知： 用试差法可求得： 5.2.2 其它形状催化剂的等温宏观动力学方程 * （一）无限长圆柱体 L/R很大，两端扩散可以忽略，只存在径向扩散，在r?dr ?L薄环柱状体积元内对A进行质量衡算 * 圆柱状颗粒基础方程 对一级不可逆反应，上述方程解为： * 具体数值由数学手册查得 （二）圆形薄片催化剂宏观动力学方程 * 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 * （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 * 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 表观反应级数 * 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 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 * 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 * * * * * 5.3.2 非等温条件下的宏观动力学 * 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 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 * ?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