化学反应工程陈甘棠第五章第二节课件

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/2ra≤10-2，分子间的碰撞λ/2ra≥10-2，分子与孔壁的碰撞(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2/6/20232)分子扩散

对于反向的一维扩散，根据费克定律：

2/6/2023对于多组分气体，其扩散系数：

3）努森扩散2/6/20234）分子扩散与努森扩散同时存在努森：分子:2/6/2023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

2/6/2023令：等分子反向扩散：单向扩散：2/6/20235）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=2~52/6/20232、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

2/6/2023Rrr+Δr2/6/2023即：边界条件为：2/6/2023定义：

无因次内扩散模数φs（希尔模数）

——表征内扩散影响的重要参数物理意义：2/6/2023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，φs值越大。2/6/2023代入方程得：解此常系数方程2/6/2023代入边界条件解得：2/6/2023粒内的浓度分布为：2/6/2023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2/6/2023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

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

2/6/2023

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

2/6/2023解出:片状一级反应：

圆柱状一级反应：

球状一级反应：

I0:0阶第一类变形的贝塞尔函数I1:1阶第一类变形的贝塞尔函数2/6/2023η对φL作图ηφL0.43片状

无限长圆柱球

表面反应控制

内扩散控制

2/6/2023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φs,β,r表达。（热效参数）

（阿累尼乌斯数）

2/6/2023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。2/6/20234、外扩散的影响对于单一反应反应级数为正:反应级数为负:2/6/2023

设为α级反应，外表面的浓度为cs，气相主体的浓度为cg，对于等温定态过程：定义:----丹克莱尔准数2/6/2023则:即:2/6/20232/6/2023可见：除反应级数为负外，Da增大ηx减小；

α越大,ηx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。2/6/20235、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：

2/6/20232/6/2023若只有外扩散影响，内扩散阻力可不计，

则：

此时η0=ηx

当只有内扩散影响时，外扩散的阻力可不计，即

2/6/20236、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2/6/2023假设内扩散阻力很大，

则：

2/6/2023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

2/6/20232）平行反应ABCk1k2(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。2/6/20233）连串反应

当较大时，选择性2/6/20