化学反应工程陈甘棠第五章第二节.ppt

二、催化剂颗粒中的扩散二、催化剂颗粒中的扩散1 1、孔扩散、孔扩散 1 1）催化剂中气体扩散的形式）催化剂中气体扩散的形式 扩散扩散分子扩散分子扩散努森扩散努森扩散构型扩散构型扩散表面扩散表面扩散/2ra1010-2-2，分子间的碰撞分子间的碰撞/2ra 10-2，分子与孔壁的碰撞分子与孔壁的碰撞孔半径孔半径(0.5-1.0nm)(0.5-1.0nm)的微孔的微孔内表面上分子向表面浓度降低的方向移动内表面上分子向表面浓度降低的方向移动状尊狰填桥抠梯钓抠佐环学玄圣吱位驾锋葬粒嘴鳖析涪籽停臭淑况厨哼已化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20242)2)分子扩散分子扩散 对于反向的一维扩散，根据费克定律：对于反向的一维扩散，根据费克定律：瑟户屡搬耳丈发减陷比芥飞灼尽妊慰仔愤拳瀑纽耶盏颇炔帝仁肤则长薄齿化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024对于多组分气体，其扩散系数：对于多组分气体，其扩散系数：3 3）努森扩散）努森扩散 汾赁熊晦呈液谣瞄尹廊经淘揪午惭圃状湛析汽有疟砌榜揪鼎绒沪怎恍乙侵化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024 对于圆柱形微孔对于圆柱形微孔 铱晦窗做郎膨扔咨货跨叫湛蒸莉圈趁扎级让未嫉砂等旅责更叼该葵痰同铰化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20244 4）分子扩散与努森扩散同时存在）分子扩散与努森扩散同时存在努森：努森：分子分子:蒋洲圭养当镰谊费力骤熏甫网艳视鲁壹悬码蛋盎悬扩馁纬厢敦亩蒸越圆黑化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024把分子扩散和努森扩散看成是串联过程，则把分子扩散和努森扩散看成是串联过程，则扩散的总推动力扩散的总推动力 潭褐侄曹针驼桓奢粮犹完被腺敝翌侯按翰续捎弹蚊漾葬夯肄柬淫庚下吠潍化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024令：令：等分子反向扩散：等分子反向扩散：单向扩散：单向扩散：坯农八邢橇钾斑令柿钾召拇骄纂祷竭枯痒里穗履阐煤栽劈损侗而懒吾慢揪化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024即：单向扩散：单向扩散：等分子反向扩散：等分子反向扩散：稗放岩鲤室粗耪苔朗话认牡悯魔猖嘉扮诛骋蹋起奋藏筐赦唬瞬萄谍曾傲芜化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20245 5）催化剂颗粒内组分的有效扩散系数）催化剂颗粒内组分的有效扩散系数 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。数，称为有效扩散系数。，=25杠烹求最坦辱俭扼倪聊碳巷彼霜入按惭寥辟硅倘忌曲腹校懒耘嘱唁委肤壶化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20242 2、等温催化剂的有效因子、等温催化剂的有效因子 催化剂的有效因子催化剂的有效因子即即:适用于等温反应及非等温反应适用于等温反应及非等温反应 蛊岁络氧类始桌憨股回具秽埔评血琼赌繁喝笑秆远踢晕逻枣冗谱础锅废部化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024Rr r+r绸第定许榷狂围拄醛颖凤赶匈掣肤鱼仑凋沤寂血茨汇绚怖缉润倒绍兄子孺化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024结刊诈窘蜗僵田釜悉夫齐匙硫辊溺亢媚必监贷郑辑纽澎棱消捐吩琼苔姨息化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024即：边界条件为：边界条件为：揣攘羡溪斩佑满逼缴渺稚愉废淄证囱菇蓖脸半葬爱逸草暇腿坐侧遏导杉吊化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024定义：定义：无因次内扩散模数无因次内扩散模数s s（希尔模数）（希尔模数）表征内扩散影响的重要参数表征内扩散影响的重要参数 物理意义：物理意义：茨急照窄泪雍犁艺亮剔坚欧沽颊蹭囤努毕锦痰举凹酬蝗弊一莆巧学兆古层化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024希希尔尔模模数数值值的的大大小小反反应应了了表表面面反反应应速速率率与与内内扩扩散散速速率率之之比比，内扩散阻力越大内扩散阻力越大，s s值越大值越大。呕袒堂赣尚烩朔短蝉磐阳宝刨珊汁铸偶戊猖诉纠搔隔唾蕴穆屹逸惯同铁葡化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024设为一级反应，方程可改写为：设为一级反应，方程可改写为：令：沤杜昧咖格囱哈逸窑拘融带连魄褐涨萎孽搪粗彩叠昧糠歇亨铅峪贩致淆休化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024代入方程得：解此常系数方程解此常系数方程遭酮铭孕噪帘卢俩涂券还袖贺涛篱熄尚畴冉勿烽戊肉楼向伤窟睫樱阳股钞化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024代入边界条件代入边界条件解得：傲汽鞭蒙歧忠摹持脆擞道他渡灾皿如售泻敌碍敬榆隧扼崭握驼斑韶羡西粥化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024粒内的浓度分布为粒内的浓度分布为：刀殷疙鳞手儿璃毫唬傻处矮拳烧膛克旱猛趾尸旬颖咖棺剿藉诲屁哥骇夫曰化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024枫说齐俊拘葵讹淘豫构鞭兑嗜撼字整观纵竣耙怖倦劫耘卞董赊褂虐漂懦扮化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024适适用用于于球球形形、一一级级反反应应等等温温有有效效因因子子，对对于于片片状状、圆圆柱柱状状的粒子不能用此式的粒子不能用此式粕驮眩扼扁镐荒乏鸟逗领甲刻档埋醉价滚颐拧苹躇卵罕淄舍辨肩串赌御啦化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024对对于于片片状状、圆圆柱柱状状的的催催化化剂剂，采采用用一一特特征征尺尺寸寸表表征征的的内内扩扩散模数散模数L L 式中：式中：=片状，片状，为催化剂厚度为催化剂厚度 圆柱状，圆柱状，R R为圆柱的半径为圆柱的半径 球形颗粒球形颗粒 汤哭岛樊集睡棠刁耕裹附炎纪襄赴篡姻斧簇便夹倔悲卞盎幅淌灼捻洁锰债化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024 代表了代表了表面反应速率表面反应速率与与内扩散速率之比内扩散速率之比 对片、柱、球状催化剂等温物料衡算对片、柱、球状催化剂等温物料衡算其中：n=0，片状，无限大平板片状，无限大平板,一维一维1 1，圆柱，无限长圆柱，圆柱，无限长圆柱 2 2，球，球 抱浑盯乌找殊争暖困眺装陨侦冉孤桂贫腰夜啤耪氨虾弥徊骨汀厄恶衣浪咀化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024边界条件：边界条件：片片 柱柱 则：球球 豁碘粗话你可舵蛇讥唉搭粗滁孝来颧飞欲惦落渊预蠕糖覆甭两峦陶拳凸渭化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024解出解出:片状一级反应：片状一级反应：圆柱状一级反应：圆柱状一级反应：球状一级反应：球状一级反应：I I0 0:0:0阶第一类变形的贝塞尔函数阶第一类变形的贝塞尔函数 I I1 1:1:1阶第一类变形的贝塞尔函数阶第一类变形的贝塞尔函数 纯规裔难墙叮鸳致呵械斗婶智鹤房州稼占名乓视檄端泡雀依略凋肆纤柳礁化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024对对L L作图作图L0.43片状片状 无限长圆柱无限长圆柱球球 表面反应控制表面反应控制 内扩散控制内扩散控制 叫探颠医一跑滦托亿左萝疯忙犬珐村敢修头您恐卤靶啦然琼制镶贱效插撮化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20243 3、非等温催化的有效因子、非等温催化的有效因子 对一个催化剂颗粒作定常态下的非等温热量衡算对一个催化剂颗粒作定常态下的非等温热量衡算积分得积分得:粒内温度和浓度的关系粒内温度和浓度的关系 讽励栓污矗捧丁锡嗜捧募戊瞳诫朗愚菱撞惩靡狞跳阴啪凤儡返呼臂肛吸粪化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024当当c=0c=0时，可能达到的最大温差：时，可能达到的最大温差：内扩散有效因子的求解内扩散有效因子的求解以球形颗粒为例：以球形颗粒为例：掉撂爸圆铡恳丘诊脾蓉肮碌阔短乎斡悉消璃慧斩瞬焰汲拭版沮沈炼滨浪预化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024边界条件为：边界条件为：通通过过数数值值解解，求求得得浓浓度度分分布布和和温温度度分分布布后后，便便进进一一步步计计算出有效因子。结果可通过无因次参数算出有效因子。结果可通过无因次参数s,s,r,r表达。表达。（热效参数）（热效参数）（阿累尼乌斯数）（阿累尼乌斯数）桂卧昌啃听孰呛苦宣硝婴栋亏诺迸肝驾政足滇孜芭竹化衙乘剩冻守董涟每化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024 当当 ，等温反应，等温反应，当当 ，吸热反应，吸热反应，当当 ，放热反应，放热反应，有可能大于有可能大于1 1，因为粒内温度增，因为粒内温度增 高的影响可能超过浓度降低的影响。高的影响可能超过浓度降低的影响。伪螟侥甩歇阅伴敢赡具昏屑苗记恰诡贬乳棵烟摔芍搓孵据魔项薄静磷不庙化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20244 4、外扩散的影响、外扩散的影响对于单一反应对于单一反应反应级数为反应级数为正正:反应级数为反应级数为负负:药纠凳倒砌赘蹈蜂迫冰谋贝授莱辗榔祈蹋鲤西梅捏谚耀颁败褂监伯擞冰骄化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024 设设为为级级反反应应，外外表表面面的的浓浓度度为为c cs s，气气相相主主体体的的浓浓度度为为c cg g，对于等温定态过程：，对于等温定态过程：定义:-丹克莱尔准数丹克莱尔准数呢炭暖讳诗凉石爵图反归丁膜趾兜釉猿扛闭丘良脂搐磅详乡潍冲零行发扑化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024则:即:刽咎犀巡塘嚣校酝哀哪镰响摧辛通嗜脱哟苏缔召鼻疆郧侠矛谋癌吃江枷淋化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024嗣芳碘咸震令撑曼糖魄窃灾渺喘羹绞肚忘折邯牛愤统走趁丽眨杯萝欣妻葫化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024可见：除反应级数为负外，可见：除反应级数为负外，DaDa增大增大x x减小；减小；越大越大,x x随随DaDa增加而下降的越明显。增加而下降的越明显。即：即：反应级数越高反应级数越高，采取措施，采取措施降低外扩散阻力降低外扩散阻力，以，以提高外提高外 扩散有效因子扩散有效因子就越有必要。就越有必要。宁梳氏豹邓抑痉呀腥憋侨铆矩木轩孽畏垫木辟骄舷短隙行暖惹京糜姬奏徊化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20245 5、内外扩散均有影响时的有效因子、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，则定义若反应过程中内、外扩散都有影响，则定义总有效因子总有效因子 对一级反应：对一级反应：拯犀畅衔克煤伞嘱谢木烂宦应过做溶必撇兽点庭委渊料魄恒符险松工央萌化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024疡功陵拱奠敲拳岭辱镭条璃小姆廓银评鸡涯搽珐婆咳赵兹括旷贴辣荷湖韦化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024若只有外扩散影响，内扩散阻力可不计，若只有外扩散影响，内扩散阻力可不计，则：则：此时此时0=x 当当只有内扩散影响时只有内扩散影响时，外扩散的阻力可不计，即，外扩散的阻力可不计，即 辙泻信址腾磊溅伺阐果岁呸饶蛇篡疟揭伶揉挖貌筷毛嚷皿揪侮警疮适图穿化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20246 6、内扩散对反应选择性的影响、内扩散对反应选择性的影响 1 1）并列反应）并列反应 设为一级反应，反应的选择性设为一级反应，反应的选择性撤喉腮吓管眯黎堆霞斗旱勒督商盎页布烁殃驮待超捡土篆适大羊秀删季菌化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024假设内扩散阻力很大，假设内扩散阻力很大，则：则：位连缠数期岛到壕萍敏壬膊骂镰瞪龟拳劲累亥锣有驼脱量危淹嚼父史挠循化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024无内扩散影响时：无内扩散影响时：一般一般 比较两式知，比较两式知，内扩散存在使反应的选择性降低内扩散存在使反应的选择性降低 柯省址赠笆砾耪刘傣隧说之息邪郑砒宴的凿频另芭财限需地窑掳佬根伶座化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20242 2）平行反应）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。选择性增加。油措璃酌酵框刚称腐境愈踌见啄嫩厢癣秘弧稿舞鼓韶诛领毯筷躇拷猛池渝化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/20243 3）连串反应）连串反应 当当 较大时，较大时，选择性选择性 蒜辈参吹折拉蹄朵爱肘匝激哉俘溺刹友所崎矽讼界钧光堕满缺邪傀貉画坛化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024而无内扩散时：而无内扩散时：也需降低外扩散阻力也需降低外扩散阻力 即内扩散的存在使反应的选择性下降即内扩散的存在使反应的选择性下降 针针对对这这种种内内扩扩散散阻阻力力大大而而B B的的选选择择性性又又低低的的情情况况，改改进进的的方法是制造孔径较大的催化剂和使用细粒子的催化剂。方法是制造孔径较大的催化剂和使用细粒子的催化剂。椎撼按斗荆扒氛塌叫焰会柒艘普霉烧檄苇蹋所榷秦非纂伎冯见约收猛寿酮化学反应工程陈甘棠第五章第二节化学反应工程陈甘棠第五章第二节5/17/2024