[化学ppt课件]化学反应工程第五章第二节.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,二、催化剂颗粒中的扩散,1、孔扩散,,1）催化剂中气体扩散的形式,,扩散,,分子扩散,努森扩散,构型扩散,表面扩散,λ/2r,a,≤10,-2,，,分子间的碰撞,λ/2r,a,≥ 10,-2,，,分子与孔壁的碰撞,孔半径,(0.5-1.0nm),的微孔,内表面上分子向表面浓度降低的方向移动,8/12/2024,二、催化剂颗粒中的扩散1、孔扩散 1）催化剂中气体扩散的形式,2)分子扩散,,对于反向的一维扩散，根据费克定律：,,8/12/2024,2)分子扩散 对于反向的一维扩散，根据费克定律： 8/23/,对于多组分气体，其扩散系数：,,3）努森扩散,8/12/2024,对于多组分气体，其扩散系数： 3）努森扩散 8/23/202,,对于圆柱形微孔,,8/12/2024,对于圆柱形微孔 8/23/2023,4,）分子扩散与努森扩散同时存在,努森：,分子:,8/12/2024,4）分子扩散与努森扩散同时存在努森：分子:8/23/2023,把分子扩散和努森扩散看成是串联过程，则,扩散的总推动力,,8/12/2024,把分子扩散和努森扩散看成是串联过程，则扩散的总推动力 8/2,令：,等分子反向扩散：,单向扩散：,8/12/2024,令：等分子反向扩散：单向扩散：8/23/2023,即：,单向扩散：,等分子反向扩散：,8/12/2024,即： 单向扩散： 等分子反向扩散：8/23/2023,5）催化剂颗粒内组分的有效扩散系数,有效扩散系数,：,以整个催化剂颗粒来考虑的组分扩散系,数，称为有效扩散系数。

τ=2~5,8/12/2024,5）催化剂颗粒内组分的有效扩散系数 有效扩散系数 ：以整个催,2、等温催化剂的有效因子η,,催化剂的有效因子,即:,适用于等温反应及非等温反应,,8/12/2024,2、等温催化剂的有效因子η 催化剂的有效因子即:适用于等温反,,R,,,r,r+Δr,8/12/2024,Rrr+Δr8/23/2023,8/12/2024,8/23/2023,即：,边界条件为：,8/12/2024,即：边界条件为：8/23/2023,定义：,,无因次内扩散模数,φ,s,（希尔模数）,,——表征内扩散影响的重要参数,物理意义：,8/12/2024,定义： 无因次内扩散模数φs（希尔模数） ——表征内扩散影响,希尔模数值的大小反应了,表面反应速率与内扩散速率之比,，,内扩散阻力越大,，,φ,s,值越大,8/12/2024,希尔模数值的大小反应了表面反应速率与内扩散速率之比，内扩散阻,设为一级反应，方程可改写为：,,令：,8/12/2024,设为一级反应，方程可改写为： 令：8/23/2023,代入方程,得：,解此常系数方程,8/12/2024,代入方程得：解此常系数方程8/23/2023,代入边界条件,解得：,8/12/2024,代入边界条件解得：8/23/2023,粒内的浓度分布为,：,8/12/2024,粒内的浓度分布为：8/23/2023,8/12/2024,8/23/2023,适用于,球形、一级反应等温有效因子,，对于片状、圆柱状的粒子不能用此式,8/12/2024,适用于球形、一级反应等温有效因子，对于片状、圆柱状的粒子不能,对于,片状、圆柱状,的催化剂，采用一特征尺寸表征的内扩散模数,φ,L,,式中：,=,,片状，δ为催化剂厚度,圆柱状，R为圆柱的半径,,球形颗粒,,8/12/2024,对于片状、圆柱状的催化剂，采用一特征尺寸表征的内扩散模数φL,,代表了,表面反应速率,与,内扩散速率之比,,对片、柱、球状催化剂等温物料衡算,其中：,n=,,,0，,片状，无限大平板,一维,1，圆柱，无限长圆柱,,2，球,,8/12/2024,代表了表面反应速率与内扩散速率之比 对片、,边界条件：,,,片,,柱,则：,球,8/12/2024,边界条件： 片 柱 则： 球 8/23/2023,解出:,片状一级反应：,,圆柱状一级反应：,,,球状一级反应：,,I,0,:0阶第一类变形的贝塞尔函数,I,1,:1阶第一类变形的贝塞尔函数,8/12/2024,解出: 片状一级反应： 圆柱状一级反应： 球状一级,η,对,φ,L,作图,η,φ,L,0.4,3,,片状,,,无限长圆柱,球,,表面反应控制,,内扩散控制,,8/12/2024,η对φL作图ηφL0.43片状 无限长圆柱球 表面反应控制,3、非等温催化的有效因子,对一个催化剂颗粒作定常态下的非等温热量衡算,积分得:,,——粒内温度和浓度的关系,,8/12/2024,3、非等温催化的有效因子 对一个催化剂颗粒作定常态下的非等温,当,c=0,时，可能达到的最大温差：,,内扩散有效因子的求解,以球形颗粒为例：,,8/12/2024,当c=0时，可能达到的最大温差： 内扩散有效因子的求解以球形,边界条件为：,,通过数值解，求得浓度分布和温度分布后，便进一步计算出有效因子。

结果可通过无因次参数,φ,s,,β,r,表达热效参数）,,（阿累尼乌斯数）,,8/12/2024,边界条件为： 通过数值解，求得浓度分布和温度分布后，便进,当 ，等温反应，,,当 ，吸热反应，,,当 ，放热反应，,η,有可能大于1，因为粒内温度增,高的影响可能超过浓度降低的影响8/12/2024,当 ，等温反应， 当 ，吸,4、外扩散的影响,对于单一反应,反应级数为,正,:,反应级数为,负,:,8/12/2024,4、外扩散的影响对于单一反应反应级数为正:反应级数为负:8/,,设为,α,级反应，外表面的浓度为,c,s,，气相主体的浓度为,c,g,，对于等温定态过程：,定义:,---- 丹克莱尔准数,8/12/2024,设为α级反应，外表面的浓度为cs，气相主体的浓度为c,则:,即:,8/12/2024,则:即:8/23/2023,8/12/2024,8/23/2023,可见：除反应级数为负外，,Da,增大,η,x,减小；,,α,越大,,η,x,随,Da,增加而下降的越明显即： 反应级数越高,，采取措施,降低外扩散阻力,，以,提高外,扩散有效因子,就越有必要。

8/12/2024,可见：除反应级数为负外，Da增大ηx减小；8/23/2023,5、内外扩散均有影响时的有效因子,若反应过程中内、外扩散都有影响，则定义,总有效因子,,对一级反应：,,8/12/2024,5、内外扩散均有影响时的有效因子 若反应过程中内、外扩散都有,8/12/2024,8/23/2023,若只有外扩散影响，内扩散阻力可不计，,,则：,,,此时,η,0,=,η,x,,当,只有内扩散影响时,，外扩散的阻力可不计，即,,8/12/2024,若只有外扩散影响，内扩散阻力可不计， 则： 此,6、内扩散对反应选择性的影响,,1）并列反应,,设为一级反应，反应的选择性,8/12/2024,6、内扩散对反应选择性的影响 1）并列反应 设为一级反应，反,假设内扩散阻力很大，,,则：,,8/12/2024,假设内扩散阻力很大， 则： 8/23/2023,无内扩散影响时：,,一般,,比较两式知，,内扩散存在使反应的选择性降低,,8/12/2024,无内扩散影响时： 一般 比较两式知，内扩散存在使反应的选择性,2,）平行反应,A,B,C,k,1,k,2,(主反应),,当两反应的的反应级数相等时，内扩散对反应选择性,无影响,当主反应的反应级数大于副反应时，内扩散使主反应,的选择性降低,当主反应的反应级数小于副反应时，内扩散会使反应,选择性增加。

8/12/2024,2）平行反应ABCk1k2(主反应) 当两反应的的反应,3）连串反应,,当 较大时，,选择性,8/12/2024,3）连串反应 当 较大时， 选择性 8/23/2023,而无内扩散时：,,也需降低外扩散阻力,,即内扩散的存在使反应的选择性下降,,针对这种内扩散阻力大而B的选择性又低的情况，改进的方法是制造孔径较大的催化剂和使用细粒子的催化剂8/12/2024,而无内扩散时： 也需降低外扩散阻力 即内扩散的存在使反应的选,。