化学反应工程第六章多相系统中的化学反应与传递现象

颗 粒 密 度
p

固体质量 颗粒体积
堆 密度b

固体质量 床层体积
p Vg p a as / ap
2
例6.1 已知一催化剂颗粒质量为1.08g，体积为1.033 cm3，测得孔容为0.255cm3/g，比表面为100m2/g，试 求催化剂的 p , p , ra
外 扩 散 有 影 响 时 颗 粒 外表 面 处 的 反 应 速 率
X 外扩散无影响时颗粒外表面处的反应速率
1单一反应
忽略 内扩散
X

kW kW
TS TG
cAS cAG
等温
cAS
c
AG
一级不可逆
N A kGam (cAG cAS )
X 1 /(1 Da )
p
m
Vp
1.083/ 1.033 1.048g / cm3
p Vg p 0.255 /(1 / 1.048) 0.267
ra 2Vg / Sg 2 0.255 / 100104

50.110-8 cm 50.1 A
3
Ag Pg
A P
1 2 34 65
7
A分子
吸附态 吸附态 A分子 P分子
P分子
6.1.2. 多相催化过程步骤
宏 1 反应物A的外扩散
2 反应物A的内扩散
观 3 反应物A的吸附
本
Leabharlann Baidu4 表面反应 动
征 动
5 反应产物P的脱附
力 学
力
6 反应产物P的内扩散
学 7 反应产物P的外扩散
4
C AG
C AS
C PG
C PS
21
3
Da

kW kG am
RA kW cAS
cAS cAG /(1 Da )
Da

kW
c 1 AG
kGam

kW cAG kGam cAG 07
不同反应级数时外扩散有效因子计算式
反应级数
外 扩 散 有 效 因 子 X
1
1 1 Da
2
1
2
4Da 1 4Da 1
1/2
4 Da2 Da
2
2
-1
1 1 4Da
8
1.0
1.0
X
0.01
Da
10.0
图6.2 等温外扩散有效因子
9
2复合反应 (1)平行反应 外扩散无影响
外扩散有影响
A B A D
rB k1cA
rD

k2c

A
S

1 /(1
k
2c

AG
/
k1 )
RA (Hr ) kGam (cAG cAS )(Hr )
TS
TG
(cAG

c
AS
)
(H
C p
r
)

Pr Sc

2
/
3

jD jH

TS
TG

(H
C p
r
)
(cAG
cAS )
P163 例6.2自学6
6.2.3 外扩散对多相催化反应的影响
(kGam )A (kGam )B 40cm3 /(s g)
k1 6.0108 exp[ E1 /(RT )] cm3 /(g s) k2 1.2106 exp[ E2 /(RT )] cm3 /(g s)
E1 80.0kJ / mol E2 60.0kJ / mol
c AS

c AG (1 Da1 )
cBS

(1
Da1c AG Da1 )(1
Da2 )
cBG (1 Da2 )
Da1

k1 kG am
,
Da 2

k2 kG am
11
例6.3
A k1 B k2 D 求反应选择性
T G 450K CBG / C AG 0.5
(TS TG ) 10K
A k1 B k2 D
kGam cAG cAS k1cAS kGam cBS cBG k1cAS k2cBS kGam cDS cDG k2cBS
外扩散 无影响
S S
S (k1cAG k2cBG ) k1c AG
1 k2 cBG k1 cAG
4
5 6
7
A
6.2 流体与催化剂外表 面间的传质与传热
N A kGam (cAG cAS ) A
P q hSam (TS TG )
q (A )(Hr )
C PC
外扩散无影响
cAG cAS
内扩散无影响
cAS cAC
C AC
内外扩散 均无影响
cAG cAS cAC
TS=450K TS=460K12
6.3 气体在多孔介质中的扩散 6.3.1. 单一孔道内的扩散
1. 正常扩散 DA DAB
2ra 102
2. 努森扩散
DA

DK
A

9.7103 ra
T/M
2ra 10
3.复合扩散
1 DA 1 /(DK )A (1 byA ) / DAB

S S S S S S
C AS C AG
S

rB
/(rB

rD )

1 /(1
k2c
AS
/
k1 )
10
(2) 连串反应（一级） 外扩散有影响
S 1 k2 cBS k1 cAS
1 k2cBG (1 Da1 ) 1 Da2 k1cAG (1 Da2 )
5
6.2.1传递系数
J 因子
jD

kG
G
2
(SC ) 3
jH

hS GC P
2
( Pr ) 3
Sc D Pr C p
固 定 床


jD

0.357 Re0.359


jH

0.395 Re 0.36
6.2.2. 流体与颗粒外表面得温度差与浓度差
q hsam TS TG
外扩散 无影响
S ' 1 k2CBG 0.790 k1C AG
TS=450K
外扩散 有影响
S 1 k2CBG (1 Da1 ) 0.785
1 Da2 k1C AG 1 Da2
S 1 k2CBG (1 Da1 ) 0.8077
1 Da2 k1C AG 1 Da2
第六章 多相系统中的化学 反应与传递现象
1
6.1 多相催化反应过程步骤
6.1.1. 固体催化剂的宏观结构与性质
空
隙
比表面(Sg)
孔径分布，平均孔径，孔容
ra
1
Vg
Vg 0
radV
ra
2Vg Sg
孔隙率，空隙率，密度，形状系数
孔
隙
孔 隙 率
p

孔隙体积 颗粒体积
真 密 度t

固体质量 固体体积