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1、多相系统中的化学反应与传递现象,天津大学化工学院反应工程教研组,第六章,本章内容,（1）多相催化反应过程步骤,（2）流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热,（3）外扩散对多相催化反应的影响,（4）多孔催化剂中的扩散与反应,（5）多相催化反应过程中扩散影响的判定,（6）扩散干扰下的动力学假象,多相催化反应过程步骤,1.固体催化剂的宏观结构和性质,孔容：单位质量催化剂颗粒所具有的孔体积。实测方法有压贡仪法（1001010m）、气体吸附法（10nm）等。,平均孔半径：,比表面积：单位质量催化剂颗粒所具有的表面积。与催化剂的孔道尺寸有关。BET法和色谱法是常用的测定方法。,多相催化反应过程步骤,1.固体
2、催化剂的宏观结构和性质,孔隙率：,形状系数（球形度，圆球度）：,催化剂颗粒粒度的表示方法：以筛分或当量直径表示,多相催化反应过程步骤,流体与催化剂外表面间的传质与传热,1.基本方程：,2.传递系数,流体与催化剂外表面间的传质与传热,对固定床,外扩散对多相催化反应的影响,1.外扩散有效因子X的定义：,即：,一级不可逆反应,外扩散对多相催化反应的影响,1.外扩散有效因子X的定义：,平行反应,外扩散无影响时的瞬时选择性,外扩散有影响时的瞬时选择性,外扩散对多相催化反应的影响,2.外扩散对复合反应选择性的影响,连串反应,外扩散无影响时的瞬时选择性,外扩散有影响时的瞬时选择性,外扩散对多相催化反应的影响
3、,2.外扩散对复合反应选择性的影响,得外扩散有影响时的瞬时选择性:,又：,推导外扩散有影响时的瞬时选择性,气体在多孔气体中的扩散,1.孔扩散（正常扩散）,2.努森扩散（Knudsen扩散）,3.复合扩散,气体在多孔气体中的扩散,等摩尔二组分逆向扩散,有效扩散系数,扩散距离和扩散面积的校正,多孔介质中的扩散,1.反应物的浓度分布,多孔催化剂中的扩散与反应,2.颗粒内反应物浓度分布方程的推导,薄片催化剂,多孔催化剂中的扩散与反应,基本假设：催化剂颗粒等温；孔隙结构均匀，各向同性；厚度远比长度和宽度小，即反应物A从颗粒外表面向内表面的扩散可按一维扩散问题处理。,单位时间扩散进入A量 单位时间扩散出的
4、A量=单位时间反应的A量,多孔催化剂中的扩散与反应,薄片催化剂,2.颗粒内反应物浓度分布方程的推导,多孔催化剂中的扩散与反应,3.内扩散有效因子,对一级不可可逆反应,薄片催化剂,球形催化剂,多孔催化剂中的扩散与反应,3.内扩散有效因子,整理，并忽略dr2项，得，,多孔催化剂中的扩散与反应,3.内扩散有效因子,球形催化剂,比较,薄片催化剂,圆柱催化剂,3.内扩散有效因子,多孔催化剂中的扩散与反应,特别注意：,多孔催化剂中的扩散与反应,3.内扩散有效因子,一级可逆反应结果如何？,球形催化剂,3.非一级反应内扩散有效因子,薄片催化剂,内扩散影响可以忽略时,P174,例6.7非一级反应内扩散有效因子的
5、计算,4.内外扩散都有影响时的有效因子,多孔催化剂中的扩散与反应,对薄片催化剂,多孔催化剂中的扩散与反应,4.内外扩散都有影响时的有效因子,表示外扩散与内扩散阻力的相对大小,薄片催化剂,外扩散与内扩散阻力的相对大小,反应速率与外扩散速率之比,表面反应速率与内扩散速率之比,6.5 内扩散对复合反应选择性的影响,1.平行反应,2.连串反应,结论：内扩散存在时，连串反应中间产物仍然存在最大收率，但此时的最大收率低于无内扩散影响时的收率，且随内扩散影响增大而降低。（P177，图6.7）,多相催化反应过程中扩散影响的判定,连续流动反应器,在T、cA0、不变的条件下改变G当GG0,外扩散无影响,1.外扩散
6、影响的判定,间歇反应器,当rpmrpm0,外扩散无影响,1.外扩散影响的判定,多相催化反应过程中扩散影响的判定,同一催化剂，反应温度越高，消除外扩散所需的流体质量流速越大；同一反应，所用催化剂活性越好，消除外扩散所需的流体质量流速越大；,浓差判据,温差判据,工业反应器,1.外扩散影响的判定,多相催化反应过程中扩散影响的判定,当RpRC,内扩散无影响,2.内扩散影响的判定,多相催化反应过程中扩散影响的判定,一级不可逆反应,非一级反应,2.内扩散影响的判定,多相催化反应过程中扩散影响的判定,扩散干扰下的动力学假象,R1R2R3,1.外扩散干扰下的动力学假象,扩散干扰下的动力学假象,扩散干扰下的动力学假象,2.内扩散干扰下的动力学假象,表观级数,表观活化能,表观级数的推导,表观活化能的推导,不同温度范围下的反应活化能,cA,a:表观级数ka:表观速率常数,外扩散忽略，内扩散有影响时：,扩散干扰下的动力学假象,2.内扩散干扰下的动力学假象表观级数的推导,B、D两式联立，得,普遍化,得,2.内扩散干扰下的动力学假象表观级数的推导,扩散干扰下的动力学假象,C式对1/T求导,2.内扩散干扰下的动力学假象表观活化能的推导,扩散干扰下的动力学假象,F、G式联立,扩散干扰下的动力学假象,2.内扩散干扰下的动力学假象表观活化能的推导,
