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多孔催化剂中的扩散与反应

化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学 讨论过程中要注意的内容有: ①内孔表面积颗粒外表面积 ②内扩散与表面反应是并联过程 ③内表面的利用率(与浓度分布有关) ④浓度分布 第四节 多孔催化剂中的扩散与反应 chapterⅥ 多相系统中的化学反应与传递模型 一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 对于一级不可逆反应,在如图6.3所示的无限长薄片催化剂上反应,催化剂的厚度为2L(无限长的假设是为了没有端效应,只是一维问题),通过物料衡算得到: §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 图6.3多孔催化剂内反应组分的浓度分布 一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 注意:   对于扩散面积a,扩散表面为平面时,各处的扩散表面都是一样的;如果扩散表面为球面,各处的扩散表面发生变化。此外,kP为以颗粒体积定义的速率常数。 边界条件: Z=L, CA=CAS  Z=0 一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 进行无因次化,设  则 边界条件化成 ζ=1, ξ=1;ζ=0时, 则        由此推导出式(6.52),图6.4给出了浓度 的分布曲线。       一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应   一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 其中,作为参数的是西尔模数φ,当φ较 大时, 随 下降的幅度加大。 其物理意义为: (6.52) 一、多孔催化剂内反应组分的浓度分布 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 二、内扩散有效因子 颗粒内浓度并不均匀,总反应速率是需要对整个颗粒平均 代入式(6.52)得到 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 对于球形催化剂,半径为RP,反应扩散方程为(对一级不可逆反应)     得到的有效因子为 对于半径为RP的无限长圆柱,或两端面无孔的有限长圆柱,反应扩散反程为          二、内扩散有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 得到的有效因子为 西尔模数可以用如下的普遍定义: 二、内扩散有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应   三 、内外扩散都有影响时的有效因子 前面分别介绍了外扩散效因子ηx和内扩散有效因子η,若反应过程中内、外扩散都有影响、则定义总有效因子η0为 根据前边已讨论的内容,对一级不可逆反应可以写出 (6-67) §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 在反应过程达到定态时这三个等式是等效的,第一个式子表示反应速率与外扩散速率相等,第二个式子是以内扩散有效因子表示的反应速率,式中的CAS已暗含着外扩散的影响;第三式是以总有效因子表示的反应速率。由此可导出 (6-69) (6-68) 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 式(6-69)与式(6-67)对比可知 ① 若只有外扩散影响,内扩散阻力可不计, 即η=1,则 式(6-70)简化           将式(6-71)与前边式(6-21)相比较,此时的η0恰与外扩散有效因子ηx相等,显然这是合理的,因为总的效因子只是由外扩散影响产生。 (6-70) (6-71) 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 ② 当只有内扩散影响,外扩散阻力可不计,即CAG=CAS,Da=0,则式(6-70)简化为             对于无限长薄片催化剂上进行的一级不可逆反应,内扩散有效因子为       其中的西尔模数为 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 相应的外扩散有效因子和总有效因子分别为 根据关系式: 因为 所以 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 令 --拜俄准数 那么 拜俄准数的物理意义为 注意: ① 当 时,外扩散 阻力可忽略,此时 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应 ② 时,内扩散阻力可忽略,此时 应该指出,ηx、η、η0的引入使反应宏观动力学问题得到了简化。催化剂内扩散有效因子η还可以理解为催化剂内表面的利用率。以上是针对等温过程所进行的讨论,即颗粒内温度均一且等于流体的温度,否则还要进行热量衡算,并与物料衡算联合求解。 三 、内外扩散都有影响时的有效因子 §6-4 多孔催化剂中的扩散与反应

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