化学反应工程陈甘棠第五章第二节.pptx

20 四月 2024二、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20 四月 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：20 四月 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 20 四月 2024 对于圆柱形微孔对于圆柱形微孔 20 四月 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:20 四月 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 20 四月 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：20 四月 2024即：单向扩散：单向扩散：等分子反向扩散：等分子反向扩散：20 四月 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。，=2520 四月 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 20 四月 2024Rr r+r20 四月 202420 四月 2024即：边界条件为：边界条件为：20 四月 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：20 四月 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。20 四月 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：20 四月 2024代入方程得：解此常系数方程解此常系数方程20 四月 2024代入边界条件代入边界条件解得：20 四月 2024粒内的浓度分布为粒内的浓度分布为：20 四月 202420 四月 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20 四月 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 20 四月 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 20 四月 2024边界条件：边界条件：片片 柱柱 则：球球 20 四月 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 20 四月 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 20 四月 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 20 四月 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：20 四月 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）20 四月 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。20 四月 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:20 四月 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20 四月 2024则:即:20 四月 202420 四月 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。20 四月 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：20 四月 202420 四月 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 20 四月 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20 四月 2024假设内扩散阻力很大，假设内扩散阻力很大，则：则：20 四月 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 20 四月 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。20 四月 20243 3）连串反应）连串反应 当当 较大时，较大时，选择性选择性 20 四月 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。