多相系统中的化学反应与传递现象课件

第六章第六章 多相系统中的化学多相系统中的化学 反应与传递现象反应与传递现象1第六章 多相系统中的化学 反应与传递6.1 多相催化反应过程步骤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固体催化剂的宏观结构与性质l比表面比表面(S Sg g)l孔隙率，空隙率，密度，形状系数孔隙率，空隙率，密度，形状系数l孔径分布，平均孔径，孔容孔径分布，平均孔径，孔容空空隙隙孔孔隙隙26.1 多相催化反应过程步骤6.1.1.固体催化剂的宏观结例例6.1 已知已知一催化剂颗粒质量为一催化剂颗粒质量为1.08g，体积为，体积为1.033 cm3，测得孔容为，测得孔容为0.255cm3/g，比表面为，比表面为100m2/g，试求催化剂的试求催化剂的3例6.1 已知一催化剂颗粒质量为1.08g，体积为1.036.1.2.多相催化过程步骤多相催化过程步骤反应产物反应产物P的外扩散的外扩散 反应产物反应产物P的内扩散的内扩散 反应产物反应产物P的脱附的脱附 表面反应表面反应 本本征征动动力力学学反应物反应物A的吸附的吸附 反应物反应物A的内扩散的内扩散 反应物反应物A的外扩散的外扩散 宏宏观观动动力力学学7654321AP46.1.2.多相催化过程步骤反应产物P的外扩散 反应产物P1234567RdAP外扩散无影响外扩散无影响内扩散无影响内扩散无影响内外扩散内外扩散均无影响均无影响6.2 流体与催化剂外表流体与催化剂外表面间的传质与传热面间的传质与传热51234567RdAP外扩散无影响内扩散无影响内外扩散均无影J因子因子固固定定床床6.2.2.流体与颗粒外表面得温度差与浓度差流体与颗粒外表面得温度差与浓度差P163 例例6.2自学自学6.2.1传递系数传递系数6J固定床6.2.2.流体与颗粒外表面得温度差与浓度差P166.2.3 外扩散对多相催化反应的影响外扩散对多相催化反应的影响l一级不可逆一级不可逆忽略忽略内扩散内扩散1 1单一反应单一反应等温等温76.2.3 外扩散对多相催化反应的影响一级不可逆忽略1单一反不同反应级数时外扩散有效因子计算式不同反应级数时外扩散有效因子计算式8不同反应级数时外扩散有效因子计算式8图图6.2 等温外扩散有效因子等温外扩散有效因子5.0=a a2.02.0=a a-1.0-1.0=a aDah hX0.0110.01.09图6.2 等温外扩散有效因子5.0=a2.0=a-1.0=a2复合反应复合反应(1)平行反应平行反应l外扩散无影响外扩散无影响l外扩散有影响外扩散有影响102复合反应(1)平行反应外扩散无影响外扩散有影响10(2)(2)连串反应（一级）连串反应（一级）l外扩散外扩散无影响无影响l外扩散有影响外扩散有影响11(2)连串反应（一级）外扩散无影响外扩散有影响11例例6.36.3求反应选择性求反应选择性外扩散外扩散有影响有影响TS=450K外扩散外扩散无影响无影响TS=450KTS=460K12例6.3求反应选择性外扩散有影响TS=450K外扩散无影响T6.3 气体在多孔介质中的扩散气体在多孔介质中的扩散1.正常扩散正常扩散2.努森扩散努森扩散3.复合扩散复合扩散等分子逆向扩散等分子逆向扩散6.3.2多孔催化剂中的扩散多孔催化剂中的扩散6.3.1.单一孔道内的扩散单一孔道内的扩散136.3 气体在多孔介质中的扩散1.正常扩散2.努森扩散3 复合扩散复合扩散例例6.4 求噻吩求噻吩(A)在氢气在氢气(B)中的有效扩散系数中的有效扩散系数DeA14 复合扩散例6.4 求噻吩(A)在氢气反应反应物浓物浓度分度分布图布图6.4 多孔催化剂中的扩散与反应多孔催化剂中的扩散与反应CAGCASCACRPRP+d d0cAr15反应物浓度分布图6.4 多孔催化剂中的扩散与反应CAGCAS图图6.3薄片催化剂薄片催化剂ZAdZ2LcA-dcAcA6.4.1.多孔催化剂内反应组分的浓度分布多孔催化剂内反应组分的浓度分布输入输入反应反应输出输出一级一级反应反应6.4716图6.3薄片催化剂ZAdZ2LcA-dcAcA6.4.1f f 5.012100z zx x1.001.06.4.2.6.4.2.内扩散有效因子内扩散有效因子6.526.5417f5.012100zx1.001.06.4.2.内扩散有效球形催化剂球形催化剂rr+drRpAAA圆球圆球普遍化梯普遍化梯尔模数尔模数18球形催化剂rr+drRpAAA圆球普遍化梯尔模数18hf f0.110.01.03.00.4圆球圆球长圆柱长圆柱薄片薄片图图6.5.不同形状催化不同形状催化剂内扩散有效因子剂内扩散有效因子薄薄片片圆球圆球圆柱圆柱19hf0.110.01.03.00.4圆球长圆柱薄片图6.5.例例6.5铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应2L=0.8cm 试计算内扩散有效因子。试计算内扩散有效因子。20例6.5铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应2L=0.8cm 试计算例例6.6等温球型催化剂上进行一级可逆反应等温球型催化剂上进行一级可逆反应试推导内扩散有效因子计算式。试推导内扩散有效因子计算式。rr+drRpAAA21例6.6等温球型催化剂上进行一级可逆反应rr+drRpAAA6.4.3.非一级反应内扩散有效因子非一级反应内扩散有效因子薄片催化剂薄片催化剂边界条件边界条件内扩散无影响226.4.3.非一级反应内扩散有效因子薄片催化剂边界条件内扩散例例6.7 非一级反应内扩散有效因子的计算非一级反应内扩散有效因子的计算(6.66)23例6.7 非一级反应内扩散有效因子的计算(6.66)236.4.46.4.4内外扩散都有影响时的有效因子内外扩散都有影响时的有效因子一级一级反应反应246.4.4内外扩散都有影响时的有效因子一级反应24薄片催化剂薄片催化剂内外扩散阻力内外扩散阻力的相对大小的相对大小化学反应速率与化学反应速率与外扩散速率之比外扩散速率之比化学反应速率与化学反应速率与内扩散速率之比内扩散速率之比传质拜俄特数传质拜俄特数25薄片催化剂内外扩散阻力化学反应速率与外扩散速率之比化学反应速6.5 内扩散对复合反应选择性的影响内扩散对复合反应选择性的影响1.平行反应平行反应266.5 内扩散对复合反应选择性的影响1.平行反应262.连串反应连串反应内扩散影响严重内扩散影响严重无内扩散影响无内扩散影响272.连串反应内扩散影响严重无内扩散影响27图图6.7 内扩散内扩散对连串反应对连串反应收率的影响收率的影响动力学控制动力学控制内扩散控制内扩散控制XAYBk1/k2=4DeA=DeB1.001.0内扩散影响严重内扩散影响严重无内扩散影响无内扩散影响内扩散对连串反应收率的影响内扩散对连串反应收率的影响28图6.7 内扩散对连串反应收率的影响动力学控制内扩散控制XA6.6 多相催化反应过程中扩散影响的判定多相催化反应过程中扩散影响的判定图图6.8 流体质量流流体质量流速对转化率的影响速对转化率的影响GG0XA保持保持T、cA0、不变不变6.6.1.外扩散影响的判定外扩散影响的判定1.同一催化剂，反应温同一催化剂，反应温度越高，消除外扩散度越高，消除外扩散所需的流体质量流速所需的流体质量流速越大；越大；2.同一反应，所用催化同一反应，所用催化剂活性越好，消除外剂活性越好，消除外扩散所需的扩散所需的流体质量流体质量流速越大。流速越大。l工业反应器工业反应器浓差判据浓差判据温差判据温差判据保持流保持流型不变型不变296.6 多相催化反应过程中扩散影响的判定图6.8 流体质量流R6.6.2.内扩散影响的判定内扩散影响的判定内扩散影内扩散影响严重响严重内扩散内扩散无影响无影响图图6.9 催化剂半径催化剂半径对反应速率的影响对反应速率的影响温度、浓度影响？温度、浓度影响？Rc无无严严重重30R6.6.2.内扩散影响的判定内扩散影响严重内扩散图6.9(1)一级反应一级反应(2)非一级反应非一级反应l单一粒径内扩散影响的判断单一粒径内扩散影响的判断31(1)一级反应(2)非一级反应单一粒径内扩散影响的判断316.7 扩散干扰下的动力学假象扩散干扰下的动力学假象1.外扩散影响外扩散影响2.内扩散影响内扩散影响宏观反应速率宏观反应速率两种表达形式两种表达形式326.7 扩散干扰下的动力学假象1.外扩散影响2.内扩散影响(1)表观与本征反应级数表观与本征反应级数内扩散无影响内扩散无影响内扩散影响内扩散影响严重严重33(1)表观与本征反应级数内扩散无影响内扩散影响严重33(2)表表观观与与本本征征活活化化能能内扩散影响严重内扩散影响严重无内扩散影响无内扩散影响34(2)表观与本征活化能内扩散影响严重无内扩散影响34图图6.116.11不同温度范围下的反应活化能不同温度范围下的反应活化能cA35图6.11不同温度范围下的反应活化能cA35第六章小结第六章小结1.理解气固相催化反应过程步骤及本征动力学与理解气固相催化反应过程步骤及本征动力学与宏观动力学之间的关系；宏观动力学之间的关系；2.掌握与理解内外扩散和总有效因子的定义及计掌握与理解内外扩散和总有效因子的定义及计算方法；算方法；3.掌握内外扩散对宏观动力学的影响及消除方法掌握内外扩散对宏观动力学的影响及消除方法.l掌握丹克莱尔数、梯尔模数的意义与计算方法；掌握丹克莱尔数、梯尔模数的意义与计算方法；l理解催化剂孔道内反应扩散方程的推导方法及理解催化剂孔道内反应扩散方程的推导方法及根据定义推导内扩散有效因子的方法；根据定义推导内扩散有效因子的方法；l掌握内外扩散对复合反应收率和选择性影响的掌握内外扩散对复合反应收率和选择性影响的分析方法分析方法.36第六章小结理解气固相催化反应过程步骤及本征动力学与宏观动力学