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1、气固相催化反应宏观动力学气固相催化反应宏观动力学本讲稿第一页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程zz反应物从气流主体扩散到催化反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面剂颗粒的外表面-外扩散外扩散zz反应物从外表面向催化剂的孔反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散道内部扩散-内扩散内扩散zz在催化剂内部孔道内组成的内在催化剂内部孔道内组成的内表面上进行催化反应表面上进行催化反应-化学化学反应反应zz产物从催化剂内表面扩散到外产物从催化剂内表面扩散到外表面表面-内扩散内扩散zz产物从外表面扩散到气流主体产物从外表面扩散到气流主体-外扩散外扩散多孔催化剂上进行的气
2、固相催化反应本讲稿第二页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程一、气一、气-固相催化反应过程中反应组分的浓度分布固相催化反应过程中反应组分的浓度分布本讲稿第三页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程二、内扩散有效因子与总体速率二、内扩散有效因子与总体速率内扩散有效因子（内表面利用率）：内扩散有效因子（内表面利用率）：等温催化剂单位时间内颗粒中的实等温催化剂单位时间内颗粒中的实际反应量与按外表面反应组分浓度际反应量与按外表面反应组分浓度及颗粒内表面积计算的反应速率之及颗粒内表面积计算的反应速率之比。用公式表示为：比。用公式表
3、示为：反应物浓度高反应物浓度低内外反应速率不一致k ks s-按单位内表面积计算的速率常数按单位内表面积计算的速率常数f f（c cASAS）-按外表面上反应组分浓度计算的动力按外表面上反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数学方程的浓度函数f f（c cA A）-按催化剂颗粒内反应组分浓度计按催化剂颗粒内反应组分浓度计算的动力学方程的浓度函数算的动力学方程的浓度函数S Si i-单位体积催化剂床层中催化剂的内表面单位体积催化剂床层中催化剂的内表面积积本讲稿第四页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程在定态下，单位时间内从催化剂颗粒外表面由扩散作用进入催化剂内
4、部的反应组在定态下，单位时间内从催化剂颗粒外表面由扩散作用进入催化剂内部的反应组分量与单位时间内整个催化剂颗粒中实际反应的组分量相等，因此，内扩散分量与单位时间内整个催化剂颗粒中实际反应的组分量相等，因此，内扩散有效因子也可表示为：有效因子也可表示为：对于整个反应过程而言，定态时单位时间内气相主体扩散至颗粒外表面的反应组分量也等对于整个反应过程而言，定态时单位时间内气相主体扩散至颗粒外表面的反应组分量也等于颗粒内的实际反应量，因此：于颗粒内的实际反应量，因此：(r(rA A)g g-组分组分A A的宏观反应速率的宏观反应速率S Se e-单位体积催化剂床层中颗粒外表面积单位体积催化剂床层中颗粒
5、外表面积k kG G-外扩散传质系数外扩散传质系数若在颗粒内发生的是一级可逆反应，则若在颗粒内发生的是一级可逆反应，则f(cf(cA A)=c)=cA A-c-cA A*，有：有：本讲稿第五页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程推动力阻力外扩散阻力化学反应阻力内扩散阻力本讲稿第六页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程三、催化反应控制阶段的判别三、催化反应控制阶段的判别1 1、本征动力学控制、本征动力学控制这种情况一般发生在外扩散传质系数较大和外表这种情况一般发生在外扩散传质系数较大和外表面积相对较大催化剂颗粒较小的时候
6、。面积相对较大催化剂颗粒较小的时候。本讲稿第七页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程2 2内扩散强烈影响内扩散强烈影响此种情况发生在催化剂颗粒相当大，并且外扩散传此种情况发生在催化剂颗粒相当大，并且外扩散传质系数和反应速率常数都相对较大的时候。质系数和反应速率常数都相对较大的时候。本讲稿第八页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程3 3外扩散控制外扩散控制此种情况发生在活性组分分布均匀催化剂此种情况发生在活性组分分布均匀催化剂颗粒相当小外扩散传质系数相对较小颗粒相当小外扩散传质系数相对较小而反应速率常数又相对较大的时候。
7、而反应速率常数又相对较大的时候。本讲稿第九页，共十三页第一节第一节 气气-固相催化反应的宏观过程固相催化反应的宏观过程如果反应是二级不可逆反应，则反应的宏观速率可表示为：如果反应是二级不可逆反应，则反应的宏观速率可表示为：本讲稿第十页，共十三页第二节第二节 催化剂颗粒内气体的扩散催化剂颗粒内气体的扩散分子扩散分子扩散KnudsenKnudsen扩散扩散构型扩散构型扩散表面扩散表面扩散条件条件 孔径与分子大孔径与分子大小相当小相当表面迁移表面迁移扩散通量表达式扩散通量表达式_扩散系数扩散系数_综合扩散系数综合扩散系数有效扩散系数有效扩散系数本讲稿第十一页，共十三页本讲稿第十二页，共十三页本讲稿第十三页，共十三页