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第四章气固催化反应及其反应器
气固相催化反应是非均相反应。实际反应速率与相接口的大小及相间扩散速率有关。
气固相催化反应器
气固相催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应过程,例如基本化工原料工业中的硫酸、硝酸、合成氨、甲醇和尿素等的生产。

七个步骤:
(1)气固相催化反应过程分析
②组分A从颗粒外表面通过微孔扩散到颗粒内表面
③组分A在内表面上被吸附;
④组分A在内表面上进行化学反应,生成产物B;
⑤组分B在内表面上脱附;
⑥组分B从颗粒内表面通过微孔扩散到颗粒外表面
⑦反应生成物B从颗粒外表面扩散到气流主体。
①反应组分A从气流主体扩散到催化剂颗粒外表面;
①、⑦称为外扩散过程;②、③称为内扩散过程;③、④、⑤这三个步骤总称为表面动力学(微观)过程。
整个气固催化宏观反应过程是外扩散、内扩散、表面动力学三类过程的综合。
(2)外扩散过程
外扩散过程由分子扩散和涡流扩散组成。工业规模反应器中,流速较高,涡流扩散占主导。
当反应为外扩散控制时,整个反应的速率等于这个扩散过程的速率。
在稳定状况下,单位时间单位体积催化剂层中组分A的反应量(-rA)等于由主流体扩散到颗粒外表面的组分A的量,即:
式中(-rA)—催化剂层中组分A的反应速率, mol·s-1·m-3(催化剂)
kg —外扩散传质系数, m·s-1,k’g=kg/RT
Se—催化剂层(外)比表面积, m2·m-3
φ—催化剂的形状系数,圆球为1,,.
cA,g,cA,s—气体主流及颗粒外表面组分A的浓度,mol·m-3
pA,g,pA,s—气体主流及颗粒外表面的组分A的分压,Pa.
kg与吸收过程的气膜传质分系数相似,决定于流体力学情况和气体的物理性质,增大气速可以显著增大外扩散传质系数.
当反应组分向催化剂微孔内扩散的同时,便在微孔内壁上进行表面催化反应。由于反应消耗了反应组分,因而愈深入微孔内部,反应物浓度愈小。图中显示了扩散过程的浓度变化。
(3)内扩散过程
当微孔直径远大于气体分子运动的平均自由程时,气体分子相互碰撞的机会比与孔壁碰撞的机会多,这种扩散称为容积扩散。
当微孔直径小于气体分子的平均自由程时,气体分子与微孔壁碰撞的机会,比与其它分子碰撞的机会多,这种扩散称为诺森扩散。
颗粒内表面上的催化反应速率取决于反应组分A的浓度。在微孔口浓度较大,反应速率较快;在微孔底浓度最小,反应速率也最小。在等温情况下,整个催化剂颗粒内单位时间的实际反应量N1为:
式中,Si为单位床层体积催化剂的内表面积,ks为表面反应速率常数,f(cA,s)为颗粒内表面上以浓度表示的动力学浓度函数
若按颗粒外表面上的反应组分浓度cA,s及催化剂颗粒内表面积进行计算,则得理论反应量N2为:
内扩散效率因子实际上是受内扩散影响的反应速率与不受内扩散影响的反应速率之比。若内表面利用率的值接近或等于1,反应过程为动力学控制;若远小于1,则为内扩散控制。~。
令N1/N2=η,η称为催化剂颗粒的内扩散效率因子,则
N2=ks Si f (cA,S)