气-固相催化反应宏观动力学.ppt

第二章气－固相催化反应宏观动力学第二章气－固相催化反应宏观动力学A（g）B（g）第二章气－固相催化反应宏观动力学第二章气－固相催化反应宏观动力学第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第一节气－固相催化反应的宏观过程第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散(Stefan-Maxwell方程)
式中，Y为各组分气体体积麄，等压时为摩尔分率；N为扩散通量。
2.A在静止的n个组分中作分子扩散
第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散第二节催化剂颗粒内气体的扩散孔结构模型和Deff
单直圆孔模型颗粒内均为单直圆孔，Deff=DAe
简化平行孔模型1）孔结构a.具有内壁光滑的圆直孔b.孔径不等，平均半径为Fc.小孔平行分布，和外表面成45o2）Deff=1/2θDAe式中为催化剂颗粒的孔隙率，θ是孔容积和颗粒的总容积之比。一般为0.5左右，故Deff<DAe
平行交联孔模型实际上小孔不可能相互平行，要交叉和相交，内壁不一定是光滑的，孔是弯曲的，并且有扩张和收缩等的变化，这些随机出现的情况都不同于简化平行孔模型所描述的孔结构。为此对Deff=θ/2DAe修正如下：
（见普通物理第1分册）第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子RR+dR将上式令dR→0,求其极限值，得到扩散－反应方程：
第三节内扩散有效因子简化后得到球形催化剂内温度分布的微分方程：第三节内扩散有效因子2－11等温催化剂一级反应内扩散有效因子的解析解

一、球形催化剂

1.内扩散有效因子ζ
第三节内扩散有效因子结合边界条件，可求得其解析解为：
以φ为参变数，第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子若要求催化剂内扩散对总速率基本不发生影响，问催化剂如何确定？
已知：二、不同形状催化剂
颗粒的特性尺寸和西勒模数
1）球形

体积2）两端封闭圆柱体第三节内扩散有效因子一、Satterfield近似解
简化方式：二、Kjaer近似解

Kjaer将动力学方程中的浓度项在颗粒外表面处按泰勒级数展开，并略去二阶以上的高阶项，
作变量替换三、粒度、温度和转化率对内扩散有效因子的影响

下面，进一步讨论粒度、温度和转化率对内扩散有效因子的影响，为提高ζ，强化生产指出理论方向。
ζ与φ有关，故可从影响φ大小的因素进行讨论。
1.颗粒粒度

当第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子1）低温
当温度较低时，φ较小，ζ→1,2）高温
当温度较高时，φ值（3）中温
第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子上式中的左端项均为可测项，称为内扩散的判据式。
当测定值远小于1时，意味着第三节内扩散有效因子第三节内扩散有效因子第四节气－固相间热、质传递过程对总体速率的影响ζ的大小反映了外扩散过程对总体速率的影响程度。
当ζ→1,2.一级不可逆反应3.n级不可逆反应
n级不可逆反应的总体反应速率方程为图中，对于负一级反应，ζ总是大于1,表示此种反常动力学下，外扩散过程总是加速了总体速率。
气―固相催化反应通常在固定床反应器、流化床反应器和移动床反应器中进行。
一、固定床反应器
气体反应物通过静止不同的固体催化剂所形成的固定床层而进行反应的装置称作固定床反应器。表XX列出了一些主要的固定床催化反应过程。第五节气―固相催化反应器概述
固定床反应器的主要优点是床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，当伴有串联副反应时，可获得较高的选择性。此外，结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小，因而固定床反应器获得了广泛应用。
固定床反应器有三种基本形式：绝热式、多段绝热式和列管（多管）式。
1、绝热式固定床反应器尚可分为轴向反应器和径向反应器。轴向绝热式固定床反应器，如图XX所示。这种反应器结构最简单，它实际上就是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。径向绝热式固定床反应器，如图XX所示。径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载于两个同心圆构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积圈套，