曲折因子

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第 26卷
15h左右 ,以保证稳定的传质过程 ,而后便可进行实 验测定。 2. 2 测试流程
测试流程如图 1所示 ,载气经减压净化后进入 色谱仪 ,经过装有催化剂颗粒的色谱柱 ,流量由皂膜 流量计计量。在不同的载气流量下注入示踪剂 ,其间 所发生的吸附和脱附过程由自行开发的计算机采样 系统进行记录 ,并对脉冲 -应答曲线进行自动处理 , 得到不同实验条件下的各阶矩的值。
1所示。
Smit h等 [5, 6 ]提出的线性化处理实验数据的方 法 ,该方法要求进行空白实验、惰性实验和吸附实
验 ,而且要在同一流量下进行 ,实验工作量大 ,且实 施比较困难。而利用参数估值方法处理数据 [7 ] ,用同
一套数据可得到模型中的多种参数 ,结果可靠。由于
只需进行吸附实验 ,实验工作量大为减少。本文采用
( 12)
便可确定催化剂的曲折因子。 考虑催化剂孔径分布
对扩散的影响 ,式 ( 12)中综合扩散系数 DEA为:
∫ DEA =
∞ 0
1 DAB
+
1
-1
DAK ( r ) f ( r ) dr
( 13)
式中
∑ ∑ D AB =
0. 001T 1. 75 ( 1 /MA + 1 /MB ) 0. 5
0. 101 325p [ (
V
)
1 /3 A
+
(
V
) 1/3 B
]2
( 14)
D AK = 9. 7× 103 r ( T /MA ) 0. 5
( 15)
2 实验部分
2. 1 催化剂的处理 氧化态 A301氨合成催化剂是无孔的 ,而曲折
因子的测定须在还原态下进行 ,故实验前须进行催 化剂的还原。受色谱仪温升的限制 ,催化剂的还原采 用预还原 ,钝化 ,再还原的处理方法。 钝化后的催化 剂 ,装入色谱柱中 ,再还原 72 h,使钝化的表面进一 步还原。 还原后的催化剂在测试条件下由载气置换
实验所用色谱仪为上海分析仪器厂生产 1102 气相色谱。 计算机采样系统主要包括采样卡和专用 计算软件两大部分。 采样卡的采样间隔为 40m s,即 每秒采集 25个数据 ,最小采样值为 1μV,最大采样 值为 1V,采集到的数据在采样卡内自动进行数字平 滑 ,专用计算软件在 Wi ndow s下运行 ,它可以根据 实验中脉冲 -应答曲线上各点斜率自动确定峰的起 点与终点。 根据采样卡提供的大量准确数据 ,利用 Sim pso n法进行数值积分。 由于采样卡的信息数量 大、准确度高 ,因而 ,各阶矩的计算也相当准确 [4 ]。 2. 3 测试条件
t0A 2
+
_ ′1d
( 5)
二阶中心矩:
_2 =
2L V
Y1 +
EA X
(
1+
Y0 ) 2 /V2
+
t20A 12
+
_ 2d
( 6)
式中:
Y0 =
1 -XXθ 1+
dp K A θ
( 7)
Y1 = Ya + Yi + Ye
( 8)
Ya =
1
X
Xθ
dp
K
2 A
θKada
( 9)
Yi =
1
-XXθ
1 实验原理
SPSRM 方法是将填充床直径与颗粒直径之比
为 1. 1∶ 1～ 1. 4∶ 1、总数在 50粒以上的催化剂一
粒接一粒珠串地放入色谱柱中 ,在色谱操作条件下 ,
脉冲注入示踪剂 ,这时的色谱柱 ,就是一个单颗粒线
反应器 ,而示踪物满足下列关系:
流体相
EA X
2C Z2
-
V
C Z
-
C t
A301氨合成催化剂工程参数研究与测定+
III. 曲折因子的测定
李 涛 , 朱 英 , 李森生 , 朱继承 , 朱炳辰* (华东理工大学化学工程系 ,上海 200237)
摘要: 采用动态法 ,在单颗粒线反应器中对 A301氨合成催化剂的曲折因子进行了测定。 由自
行开发的计算机采样系统自动分析脉冲 -应答曲线 ,通过参数估值得到颗粒内的有效扩散系数 ,从
-
3DeffA 1 - X RX
C r
=
r= R
0
( 1)
催化剂内部
Deff A θ
2 Ci r2
+
2 r
Ci r
-
Ci t
-
dp θ
Cada t
=
0
( 2) 流体与固体之间
Deff A
Ci r
=
r= R
Kf (C -
Ci )
( 3)
吸附速率
Cada t
=
K ada
Ci -
Cada KA
+ 国家计委“九五”攻关项目 ( 96-550-02-02) * E-mail: bchzh u@ ecust . ed u. cn
收稿日期: 1999-08-25 作者简介: 李 涛 ( 1968～ ) ,男 ,安徽 人 , 讲师 ,硕士 , 从事化学 反
应工程与工艺的科研教学工作。
测定不定形催化剂的曲折因子 ,并反映死孔对扩散 的影响 ,动态法逐渐发展起来 ,其中色谱 法最为常 见 ,通过测定反映固体催化剂吸附、脱附、扩散等的 脉冲 -应答曲线 ,获得所需参数 ,能真实反映催化剂 的各种传递特性。 目前广泛使用的色谱法是单颗粒 线反应器法 ( SP SRM ) , Sco t t 等 [2 ]认为在 一定的条 件下不同形状的大颗粒固体催化剂在色谱柱中传质
而得出催化剂的曲折因子。 经测定 , A301催化剂的曲折因子为 3. 28。
关键词: A301氨合成催化剂 ;单颗粒线反应器 ; 有效扩散系数 ; 曲折因子
中图分类号: T Q032. 41; T Q546. 4
文献标识码: A
Study on Engineering Parameters of A301 Ammonia Synthesis Catalyst
R2 θ 15
1+
dp
KA θ
1 Deff A
( 10)
Ye =
1
-XXθ
R2 θ 15
1+
dp
KA θ
5 Kf R
( 11)
根据以上模型 ,利用脉冲 -应答曲线分析所得出
一阶原点矩及二阶中心矩的值 ,通过参数估值便可 得到包括有效扩散系数 DeffA在内的多种参数 ,再由 式
DeffA =
θ WDEA
Key words: A301 ammo nia synthesis cataly st; SP SR; eff ectiv e dif fusio n coeffi cient; t ort uo sit y facto r
曲折因子是固体催化剂的一个重要参数 ,对于 气 -固相催化反应宏观速率、反应器的生产强度和催 化剂的效率等有着重要的影响。 曲折因子的测定有 定态法和动态法 ,定态法设备简单 ,易于操作 ,测定 数据重现性好 ,但不能反映扩散中死孔的影响 ,且催 化剂的形状限于圆柱形或单孔环柱形 [1 ]。 为了能够
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Journal of Eas t Chi na U niv ersi t y of Science and Tech nol ogy
文章编号: 1006-3080( 2000) 03-0256-04
V ol. 26 No. 3 2000-06
柱温: 40°C, 60°C; 载气: Ar; 示 踪剂: N2; 桥流: 60m A。 色谱柱尺寸: 4mm× 1m m× 17m m; 催化剂尺 寸: 1. 6m m(平均 ) ;催化剂数量: 60粒。
3 数据处理
根据以上实验条件 ,测得 40°C和 60°C时不同
载气流速下的一阶原点矩和二阶中心矩的数值如表
过程与小颗粒的球形催化剂的传质过程相类似 ,故 对不同形状的工业催化剂可采用 SPSRM 方法测定 其曲折因子。 本文采用此方法对低温、低压、高活性
第 3期
李 涛等: A 301氨合成催化剂工程参数研究与测定 III.
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的 A301氨合成催化剂的曲折因子进行实验测定 , 为建立反应 -扩散模型提供基础数据。
参数估值方法 ,目标函数为
M
∑ S =
[ (_′1 - _′1cal )i2 + (_ 2 - _ 2cal )i2 ] ( 16)
i= 1
采用单纯形法 ,计算出包括 DeffA在内的多种参
数值。考虑孔分布对扩散过程的影响 ,根据表 2所示
A301催化剂孔分布情况 (还原后 , θ= 0. 369 3) ,将 式 ( 13)离散化后计算粒内综合扩散系数 DEA。 再由
图 1 曲折因子测试流程图 Fig. 1 Schema tic diag r am of testing o f to rtuosity facto r 1— Cyli nder of carri er gas; 2— Cylinder of t race gas; 3— Si x-w ay valv e; 4— 1102 Gas chromat ograph; 5— Soap bubb le f low m et er; 6— Sys t em of aut o-analysi s; 7— M onit or
( 4)
以上方程在 一定的定 解条件的求 解已由
Kucera 解 决 [3 ] , 并给出 含有传 递参数 的各阶 矩方
程。三阶矩以上的数学表达式极为复杂 ,通常采用数
学表达式较为简单的一、二阶矩的数学表达式 ,其中
已包含所需的大部分传递参数。
一阶原点矩:
_′1 =
L V
(
1+
Y0 ) +
式 ( 12)计算曲折因子 ,所得结果如表 3所示。
表 1 一阶原点矩和二阶中心矩的实验测定值 Table 1 Ex pe rimental da ta of the first absolute and
Abstract: The to rtuosi ty facto r i s an i mport ant parameter o f the cat alyst a nd i t has an ef fect o n the g lobal reaction rat e o f g as-soli d cataly tic reacti on, the ca pacit y o f the reacto r and t he ef ficiency o f the cat aly st etc. . The t ort uo sit y f acto r of A301 ammo nia synthesis cat alyst is m easured usi ng dy namic stat e m ethod-sing le pel let st ri ng reacto r method ( SPSRM ) . M ore t ha n 50 par ticles of A301 catal yst reduced are packed o ne by o ne i n a ch ro mat og raphy co lum n. T he trace gas i s i njected into the colum n. T he adsorptio n, deso rptio n and di ff usi on occur in the ca talyst. T he pulse-answ er curv es a re a ut o-anal yzed by o n-li ne computer syst em so that the first abso lute and the seco nd cent ral moment s are at tainable. The paramet er estima tion method is applied t o get the ef fective dif fusio n coef ficient f rom the ex peri mental da ta, so that the to rtuosi ty f act or can be obtained. The t o rtuosi ty fact or o f A301 ca taly st is 3. 28.
III. Determination o f the To rtuosity Facto r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L I Tao, Z HU Ying , L I Sen -sheng , Z HU J i -cheng , Z HU B ing -chen* ( Department of Chem ical Engineering ECU ST , Shanghai 200237, China)