文档介绍：第六章多相系统中的化学反应与传递模型
重点掌握:
固体催化剂主要结构参数的定义,区分固体颗粒的三种密度。
等温条件下气体在多孔介质中的扩散和颗粒有效扩散系数的计算。
多孔催化剂中扩散和反应过程的数学描述,西尔模数的定义和内扩散有效因子的概念,一级不可逆反应内扩散有效因子的计算。
气固催化反应内外扩散影响的判定和排除。
深入理解:
外扩散对不同级数催化反应的影响。
扩散对表观反应级数和表观活化能的影响,以及与本征值之间的关系。
广泛了解:
流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热对多相催化反应速率与选择性的影响
非一级反应内扩散有效因子的估算方法。
内扩散对复合反应选择性的影响。
多相系统中的化学反应与传递现象
对于多相反应系统,反应物和产物在相内和相间的传质与传热会影响到反应系统的性能。在有的情况下,传质与传热的影响甚至占主导地位。本章主要讨论气固催化反应过程中的传质与传热问题,重点探讨传质与传热对反应过程的影响。首先考察多孔催化剂中气体的扩散问题,并在此基础上进一步分析固体催化剂中同时进行反应和扩散的情况。扩散对于复合反应选择性的影响、扩散存在条件下的表观动力学现象等问题也将在本章有所阐述。
多相催化反应过程分析
气-固相间的外扩散过程
气体在多孔介质中的扩散
多孔催化剂中的反应扩散过程
内扩散过程对复合反应选择性的影响
多相催化反应过程中扩散影响的判定
扩散过程影响下的动力学假象
第一节多相催化反应过程步骤
反应在催化剂表面上进行,所以反应物首先要从流体主体扩散到催化剂表面,表面反应完成之后,生成的产物需要从催化剂表面扩散到到流体主体中去。所以不仅需要考虑反应动力学因素,还要考虑传递过程的影响。
一、固体催化剂的宏观结构及性质
①多孔结构:即颗粒内部是由许许多多形态不规则互相连通的孔道组成,形成了几何形状复杂的网络结构。
②孔的大小对比表面积Sg有影响,孔的大小存在一个分布,可以用压汞仪来测定孔的大小。孔容用Vg表示(/g),Sg的单位为。
③平均孔半径ra
(6-1)
如果没有孔容分布的数据,可用估算的方法计算平均孔径。假设孔为圆柱形,平均半径为,平均长度,每克催化剂中有n个孔,则
(与孔的个数无关) (6-2)
式(6-1)较(6-2)要精确。
④孔隙率。其定义为
       <1
其中, 为颗粒密度
对于固体颗粒,有如下三种密度定义,应该注意区分开来:
颗粒密度
真密度
堆密度
定义中,三者都是单位体积中的固体质量,但差别在于体积计算不同。三种密度的大小顺序为: 。
床层空隙率ε与前面讲的孔隙率εp不同,
ε对颗粒床而言ε=
对单一颗粒而言=
⑤颗粒尺寸与形状
用筛分法测量,如用40~60目筛子,然后取平均值。颗粒粒度用与颗粒相当的球体直径表示。"相当直径"有三种定义:
与颗粒体积相等的球体直径
与颗粒外表面积相等的球体直径
与颗粒比表面积相等的颗粒直径
形状系数:用ψa表示,为与颗粒体积相同的球体的外表面积as与
颗粒的外表面积ap之比,即
( )
二、过程步骤
气-固催化反应包括七个步骤,
(1) 反应物A由气相主体扩散到颗粒外表面
(2) A由外表面向孔内扩散,到达吸附反应活动中心
(3)(4)(5) 依次进行A吸附,A在表面上反应生成B,产物B自表面解吸
(6) B由内表面扩散到外表面
(7) B由颗粒外表面扩散到气相主体
图 多相催化反应过程步骤
步骤(1)、(3)属于外扩散过程,(2)、(6)属于内扩散过程,而(3)-(5)属于表面反应过程。。
第二节流体与催化外表面间的传质与传热(1)
传质过程
其中,kG为传质系数,am为颗粒的比表面积(外表面)。定态时
传热过程
其中,hs为传热系数,am为颗粒比表面积,下标G代表颗粒主体、S代表颗粒表面。注意q的计算是以气相主体为基准的,当 q>0时,意味着气相主体吸热。达到定态时
其中,放热时TS>TG;吸热时TG>TS。
一、传递系数
近似处理(假设边界层厚度处处相等)
,其定义分别为:
其意义在于:,因为更容易得到。此外,还可以检验数据的正确性。
实际生产中,外扩散控制的情况并不多,只有个别情况是这样的,例如氨氧化反应,用外扩散控制,来控制反应速率。
二、流体与颗料外表面间的浓度差和温度差
达到定态时,流体与颗粒间的传质与传热方程分别为:
或
即
由此得到
对于很多气体最后得