第六章气固相催化反应宏观动力学ppt课件.ppt

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1、第六章气固相催化反应宏观动力学6气固相催化反应宏观动力学6.1催化剂颗粒内气体扩散6.2气固相催化等温反应的宏观动力学6.3非等温过程的宏观动力学6.4流体与催化剂外表面间的传质和传热6.5催化剂的失活本征动力学研究固相上某一点与该点相接触的气相之间进行化学反应的反应速率关联式排除了内、外扩散影响后的化学反应动力学宏观动力学研究催化剂颗粒体积（或质量）为基准的平均反应速率与影响因素之间的关联式二者之间的关系是：6.1催化剂颗粒内的气体扩散多孔催化剂颗粒内的扩散=f（路径、孔径、扩散机理）孔径很大时，分子的扩散阻力，主要由于分子间的碰撞所致。分子扩散当微孔的孔径小于分子的平均自

2、由程（约0.1μm)时，分子的扩散阻力主要是分子与孔壁的碰撞所致。努森扩散某些分子筛的孔径极小（约0.5~1nm），与分子大小的数量级相同，这样小的微孔中的扩散与分子的构型有关。构型扩散单位时间内气相物质的扩散速率可用费克（Fick）定律来描述：费克（Fick）定律对于沿Z轴方向的一维扩散，扩散通量与浓度梯度成正比。6.1-1分子平均自由程:6.1-26.1.1分子扩散当孔径（d0）远大于分子平均自由程（λ），即λ/d0<10-2时，扩散过程将不受孔径的影响，属于分子扩散。1、二元组分的分子扩散系数6.1-32、混合物中组分的扩散系数6.1-43、分子扩散通量6.1-56.1

3、.2努森（Knudson）扩散当孔径（d0）小于分子平均自由程（λ），即λ/d0>10时，扩散过程的阻力主要取决于分子与孔壁的碰撞，这种扩散成为努森扩散。努森扩散系数是分子运动速度和孔径的函数，即6.1-7努森（Knudson）扩散的表达式为：6.1-66.1-8孔径6.1-96.1.3综合扩散在给定的孔道中某一浓度范围内，上述两种扩散同时存在，即10-2<λ/d0<10时，分子扩散和努森扩散都不能忽略，这种扩散称为综合扩散。气体综合扩散系数为：6.1-10定态下双组分扩散：NA=－NBα=06.1-116.1.4以颗粒为基准的有效扩散在单位时间内通过外表面的孔进入颗粒内部的

4、物质量可表示为：6.1-126.2气固相催化等温反应的宏观动力学方程6.2.1球形催化剂上等温反应宏观动力学方程以颗粒为基准的宏观动力学方程，必然受颗粒形状的影响。1、球形催化剂的基础方程drRrCSCSCgCgr0图6-1球形颗粒内浓度分布设球形催化剂的半径为R，取半径为r，厚度为dr的壳层为体积单元，作物料衡算：单位时间内忽略(dr)2项整理得：此式为二阶微分方程，边界条件：r=0,dcA/dr=0；r=R,cA=cAS；6.2-1为了解方程，下面定义thiele模数定义无因次的内扩散模数φs（或称为西勒thiele模数）这是表征内扩散影响的重要参数，它的物理意义是：对于

5、片状催化剂：对于球形催化剂：内扩散阻力越大Φs也越大6.2-22、球形催化剂等温一级反应的宏观动力学方程对于一级反应，m=1，动力学方程为（-rA）=kcAS式（6.2-1）为：6.2-3式（6.2-3）变为：6.2-4式（6.2-4）的通解为：根据边界条件：r=0,dcA/dr=0；=>A1=－A2根据边界条件：r=R,cA=cAS；=>6.2-5a6.2-5b6.2-6a6.2-6b6.2-7整个催化剂粒子内的反应速度为：对于任意球形体积，6.2-8如果整个粒子内外浓度相等，则反应速率为：6.2-9如果定义催化剂的有效系数η6.2-103、球形催化剂等温非一级反应的宏观动

6、力学方程本征动力学方程(-rA)=kƒ(cA)代入基础方程,得一个二阶非齐次常微分方程将本征动力学浓度函数项f(cA)在外表面浓度cAS处按泰勒级数展开：取展开式的前两项：结论:令西勒模数（Thiele）:6.2.2其它形状催化剂上的等温宏观动力学方程无限长圆柱体:指该圆柱体的长径比很大,可忽略两端面扩散的影响基础方程:输入A-输出A=反应消耗A+积累A1、无限长圆柱体催化剂等温的宏观动力学方程忽略两端面的扩散边界条件:r=0,dcA/dr=0;r=R,cA=cASn级不可逆方程的解:I0(X)和I1(X)为贝塞尔(Bessel)函数圆形薄片:催化剂的半径远大于其厚度.可忽略

7、侧面扩散.边界条件:l=0,dcA/dl=0l=L/2,cA=cASldlLR6-4圆形薄片催化剂体积微元示意图2、圆形薄片催化剂等温的宏观动力学方程基础方程:输入A-输出A=反应消耗A+积累A:忽略侧面的扩散n级不可逆方程的解:西勒模数（Thiele）的通用表达式：无限圆柱体：圆形薄片：通用表达式：3、任意形状催化剂等温的宏观动力学方程球形：效率因子的近似估算：ηΦs圆柱形片形球形图6-5η与φs的关系图6.3非等温过程的宏观动力学催化反应速率快,热效应大,热量得不到及时补充或移出,就会导致催化剂内部