化学反应工程第二章

第二章 气－固相催化反应宏观动力学 概述 在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。 42223323322222233332322CHH OCOHCH OH +0.5OHCHO+ H OCOHCH OHCHCHCHNHOCHCHCNH ONHNH 从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。 1. 反应特点 1）反应物和产物均为气体； 2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。 2. 反应步骤 反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的，反应分5步进行。 1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； 2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附 4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。 第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3步称为本征动力学过程。 在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的，相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。 3. 宏观动力学 气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率的“总和”，称之为总体速率。 气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。 4. 本章主要内容 讨论 气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内容有以下几方面。 1）催化剂颗粒内气体的扩散； 2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散有效因子； 3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。 第一节 气－固相催化反应的宏观过程 2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布 设某反应的关键组分为A； 催化剂为球形，关径 Rp；颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层； A在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为 CAg 、CAs、 CAc；平衡浓度为 CA*。 1. 外扩散过程 扩散推动力：CAg －CAs CA 是直线分布 2. 扩散－反应过程 CA为内扩散过程和反应过程的表观浓度，是一条曲线。在以后的学习过程中会得到证明。 2－2 内扩散有效因子与总体速率 1. 内扩散有效因子ζ 在催化剂颗粒内部，反应物的内扩散过程和化学反应过程同时进行，扩散－反应过程的表观结果是使 A的浓度下...