反应工程第二章.ppt

第二章气-固相催化反应宏观动力学
概述
在化工生产中,有许多重要的反应都是气-固相催化反应。
从上述反应可以得出气-固相催化反应的特点。
第二章气-固相催化反应宏观动力学
1. 反应特点1)反应物和产物均为气体;2)使用固体催化剂,具有惊人的内表面;3)反应区在催化剂颗粒内表面。

反应区在颗粒内部,整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的,反应分5步进行。
气-固相催化反应反应步骤
CA
CBS
B
⑴
(4)
⑵
(5)
⑶
反应物A
CAG
CAS
气膜
微孔
载体
反应表面
颗粒外表面
气相主体
产物CBG
第二章气-固相催化反应宏观动力学
1)反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散;2)反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔——内扩散;3)反应物在微孔的表面进行化学反应,反应分三步,串联而成: 反应物在活性位上被吸附; 吸附态组分进行化学反应; 吸附态产物脱附。4)反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面;5)反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。第1、5步称为外扩散过程,第2、4步称为内扩散过程,第3步称为本征动力学过程。在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的,相互交织在一起,因此称为扩散-反应过程。
A--(1) (2+3);
B--(3+4) (5)。
第二章气-固相催化反应宏观动力学
3. 宏观动力学
气-固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过程,称之为宏观动力学;
气-固相催化反应速率,是反应物和反应产物在气相主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率的“总和”,称之为宏观反应速率或总体速率。
4. 本章主要内容讨论气-固相催化反应宏观动力学的基本理论,主要内容有以下几方面。1)催化剂颗粒内气体的扩散;2)催化剂颗粒内扩散-反应过程的关联方法——内扩散有效因子;3)宏观动力学方程,或称之为总体速率方程的建立。
第一节气-固相催化反应的宏观过程
2-1 气-固相催化反应过程中反应组分的浓度分布
设某反应的关键组分为反应物A;催化剂为球形,半径Rp;
颗粒内活性组分均匀分布;
颗粒外表面有滞流边界层。 A在气相主体、颗粒外表面、
内表面的浓度分别为
CAg 、CAs、 CAc;
平衡浓度为CA*。
0
CA
RP
RP
1. 外扩散过程 扩散推动力:CAg -CAs CA 是直线分布。
-反应过程 CAC为内扩散过程和反应过程的表观浓度,浓度分布是曲线。
边界层
2-2 内扩散有效因子与总体速率
 在催化剂颗粒内部,反应物的内扩散过程和化学反应过程同时进行,扩散-反应过程的表观结果是使A的浓度下降。
当为等温过程,即整个颗粒上温度是均匀的。颗粒外表面的浓度CAS比颗粒内部任一点CAC的都要大,所以按颗粒外表面浓度计算的反应速率最大,越到颗粒内部越小。
第一节气-固相催化反应的宏观过程
1)ζ的定义
单颗粒催化剂上实际反应速率和按颗粒外表面浓度CAs和内表面积计算的理论反应速率之比值,称之为内扩散有效因子,或内表面利用率,记作ζ。
式中,ks为按单位内表面积计算的催化反应速率常数;f(CA )为动力学方程中的浓度函数,CA随径向距离而变化;Si为单位体积催化床中催化剂的内表面积。
式中,分子项是催化剂颗粒内各活性点的反应速率的总和,由于不可能建立f(CA)与S之间的函数关系,分子项是无法解析计算的。
第一节气-固相催化反应的宏观过程
2)在稳定状态下,反应物由颗粒外表面扩散进入颗粒内部的速率等于反应物在整个颗粒内部的反应速率,因此,ζ可以改写为
扩散速率
第一节气-固相催化反应的宏观过程
 在稳定状态下,反应组分A从气相主体扩散通过滞流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化剂颗粒的实际反应速率相等,即总体速率的通式如下:
式中
-总体速率;
-外扩散传质系数;
-单位床层体积中颗粒的外表面积。
上式又称为气-固相催化反应宏观动力学方程通式。