化学反应工程课件袁绍军第三章.ppt

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1、复习离析流模型复习微观混合单参数模型：多釜串联模型方差和釜数的计算复习第三章非均相反应动力学流固催化反应(气固/液固/气液固)流固非催化反应(气固/液固/气液固)流流非均相反应(气液/液液)基本概念：均相与非均相反应气固催化反应过程固定床反应器：径向混合充分，反应器尺寸>>催化剂颗粒尺寸时,近似为平推流流化床反应器：流体与颗粒剧烈返混，近似全混流反应器气固催化反应步骤，浓度分布与本征动力学的区别：在本征动力学的基础上叠加了内外扩散的影响。催化剂主要由多孔物质构成，本章讨论：气体在固体颗粒孔内的扩散规律；固体催化剂颗粒内的温度浓度分布；宏观反应速率关联式气固催化反应过程研究内容要

2、解决的问题：我们希望得到和能够知道的是气流主体处的温度和反应物浓度，但实际发生化学反应的位置，其温度浓度与气流主体不同，而化学反应的速率，恰恰取决于难于测量的实际发生化学反应的位置的温度浓度。流体在流经固体表面时，在靠近表面的地方存在滞流层。正是这一滞流层，造成气流主体与催化剂表面温度浓度的不同。（外扩散问题）气固催化反应过程催化剂主要由多孔物质组成；催化剂的外表面积与内表面积相比微不足道；化学反应主要发生在催化剂内表面；由于扩散的影响，催化剂内表面与外表面温度浓度可能会有较大差别。如何通过已知量估算催化剂内部的温度浓度分布（内扩散问题）气固催化反应过程气固催化反应过程的浓度分

3、布主气流微孔固相催化剂粒子示意图气固催化反应过程不同控制步骤示意气流主体滞流内层cAcAgcAs平衡浓度43211外扩散控制3内扩散控制2内外扩散同时控制4动力学控制颗粒反应速率表面反应很慢cAgcAscArSxrs(cAg)=SxkscAgcAgcAscA假设反应速率方程为：rs=kscAmol/m2.s气固催化反应过程颗粒反应速率外扩散很慢cAg>>cAscA0rNA=kGcAgcAgcAscA假设反应速率方程为：rs=kscAmol/m2.s气固催化反应过程气固催化反应分步速率计算外扩散（externaltransfer)的速率：NA=kGa(cAg-cAs)

4、NA=kga(pAg-pAs)kG=kgRTcatalystzdc0cs外表面传质气固催化反应分步速率计算传质系数确定传质因子：jD=(kG/G)Sc2/3Schmidt准数：Sc=/DReynolds准数：Re=dsG/jD=0.725/(Re0.41-0.15)使用条件：Re0.8-2130;Sc0.6-1300catalystzdc0cs外表面传质表面滞留层传热传质NA=kGa(cA0-cAs)Q=ha(Ts-T0)Q=rA(-H)=NA(-H)(Ts-T0)max=(kG/h)(-H)(cA0-cAe)外表面传质颗粒反应速率内扩散很慢cAgcAs>cAr

5、=rs(cAs)rs(cAg)cAgcAscA假设反应速率方程为：rs=kscAmol/m2.s=?内表面反应气体扩散分子扩散分子平均自由程:分子在运动中从上一次碰撞到下一次碰撞所经过的平均距离分子自由程：=3.66T/PN1=-D12dc1/dz孔内扩散催化剂颗粒内气体扩散气体在催化剂内的扩散属孔内扩散，根据孔的大小分为两类－－，孔径较大时，为一般意义上的扩散；孔径较小时，属克努森（Knudson）扩散。扩散的表达：费克（Fick）扩散定律孔内扩散分子扩散分子扩散——费克定律N1=-D12dc1/dzN1=-D12▽c112分子扩散分子扩散当微孔孔径远大于分子平均自

6、由程时，扩散过程与孔径无关，属分子扩散。判据：分子扩散二元组分的分子扩散系数A组分在B中的扩散系数按下式计算：分子扩散原子及分子的扩散体积分子扩散混合物中组分的扩散系数组分A在混合物M中的扩散分子扩散例3.2，p119计算750℃，1atm和30atm下，下列体系的扩散系数。(1)CH4和H2二元体系的分子扩散系数；(2)多组分CH4、H2O、CO、CO2和H2体系中，CH4在气体混合物中的扩散系数。各组分的分子分率为：yA=0.1，yB=0.46，yC=0.06，yD=0.04，yE=0.34。A、B、C、D和E分别表示CH4、H2O、CO、CO2和H2。孔内扩散例3.2，解

7、：(1)甲烷在氢气中的扩散系数可由式(3.21)计算，查表3.1知(ΣV)A=24.42，(ΣV)E=7.07。(a)P=1atm时，孔内扩散例3.2，解：(1)甲烷在氢气中的扩散系数可由式(3.21)计算，查表3.1知(ΣV)A=24.42，(ΣV)E=7.07。(b)P=30atm时孔内扩散例3.2，解：(2)甲烷在混合气体中的扩散系数DAm可先分别求出A与B、C、D、E的二元扩散系数，即可求得DAm(a)P=1atm时DABDACDADDAE2.3221.8731.5545.973cm