信阳师范大学：《化学反应工程基本原理》课程教学资源（PPT课件）第八章 气-固催化反应过程的传递现象（小结）

第八章小结

第八章小结

1、气固相催化反应的宏观动力学步骤： 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一外扩散； 2)反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道—一 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

1、气固相催化反应的宏观动力学步骤： 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

2、气固催化反应过程的研究方法：效率因子法；表观 动力学法，包括：催化剂颗粒表观动力学（颗粒表观动 力学为反应的本征动力学和内扩散动力学的综合表达) 和床层的表观动力学（床层表观动力学为反应的本征动 力学和内、外扩散动力学的综合表达。)

2、气固催化反应过程的研究方法：效率因子法；表观 动力学法，包括：催化剂颗粒表观动力学（颗粒表观动 力学为反应的本征动力学和内扩散动力学的综合表达） 和床层的表观动力学（床层表观动力学为反应的本征动 力学和内、外扩散动力学的综合表达。 ）

3、颗粒内外传质阻力的存在的结果使催化剂表面上 反应物浓度下降，产物浓度上升。 (1)在气固催化反应中，外扩散过程对化学反应的影响， 是由传质过程引起的反应表面与气流主体间的浓度差造成的； (2)颗粒外部传质过程的存在造成反应场所、颗粒外表面 浓度小于气流主体，影响程度取决于

3、颗粒内外传质阻力的存在的结果使催化剂表面上 反应物浓度下降，产物浓度上升。 （1）在气固催化反应中，外扩散过程对化学反应的影响， 是由传质过程引起的反应表面与气流主体间的浓度差造成的； （2）颗粒外部传质过程的存在造成反应场所、颗粒外表面 浓度小于气流主体，影响程度取决于 。 g k k a

4、外扩散过程速率控制步骤的判别： 化学反应速率控制阶段的判断： 当k,α>k,或当，→0时，催化剂颗粒外表面浓度接近于 k a 气流主体浓度，即C,≈C。,此时：R=kCe≈(-r)表 观动力学接近于反应的本征动力学，R=14=kC公，从而保 持了原来的反应级数和反应本征活化能。 传质速率控制阶段的判别： 当k,a<k,或当k→∞时，催化剂颗粒外表面浓度接近于 气流主体浓度，即C≈0，此时：R=k。a(C。-Ces)≈Nm。催 化剂颗粒的表面浓度接近于零，表观动力学接近于扩散动力 学R=W4=k.aCa此时表观反应级数恒为一级。表观活 化能为ED

当 ， 催化剂颗粒外表面浓度接近于 气流主体浓度，即 ，此时： 。表 观动力学接近于反应的本征动力学， ，从而保 持了原来的反应级数和反应本征活化能。 , 0 g g k a k k a  → k 或当 时 C C b es  lim ( ) n R kC r =  − es 化学反应速率控制阶段的判断： 传质速率控制阶段的判别： 当 ， 催化剂颗粒外表面浓度接近于 气流主体浓度，即 ，此时： 。催 化剂颗粒的表面浓度接近于零，表观动力学接近于扩散动力 学 ，此时表观反应级数恒为一级。表观活 化能为ED , g g k a k k a  →  k 或当 时 0 Ces  lim ( ) R k a C C N = −  g b es n R r kC = = A b R N k aC = = A g b 4、外扩散过程速率控制步骤的判别：

C es C 1+Da 1、当Da准数很大时，表明极限及应速率比极限传质速 率大很多，过程为传质控制过程，Cs/C趋近于零，颗 粒外部效率因子也接近于零。而当Da准数越来越小时， 极限传质速率远大于极限反应速率，过程逐渐变为反应 控制，Ces/Cb趋近于1。因此，Da准数可以作为颗粒外 部传质影响大小的判据，Da准数越大，外部传质过程 的影响就越大。 2、对一级反应过程，Da准数为kWkg,表明Da准数仅于 反应速率常数和传质系数有关，而与气流主体中的反应 物浓度无关。表明传质的影响程度在反应器内处处相同

1、当Da准数很大时，表明极限反应速率比极限传质速 率大很多，过程为传质控制过程，Ces/Cb趋近于零，颗 粒外部效率因子也接近于零。而当Da准数越来越小时， 极限传质速率远大于极限反应速率，过程逐渐变为反应 控制， Ces/Cb趋近于1。因此， Da准数可以作为颗粒外 部传质影响大小的判据， Da准数越大，外部传质过程 的影响就越大。 2、对一级反应过程，Da准数为k/kgg，表明Da准数仅于 反应速率常数和传质系数有关，而与气流主体中的反应 物浓度无关。表明传质的影响程度在反应器内处处相同

5、内扩散效率因子的计算公式 3 1 72= Φ `tanhΦ Φ 当0e时，MoLt时，8动 当Φ≥5时，0，此时，= 3Φ

5、内扩散效率因子的计算公式 2 3 1 1 ( ) tanh  = −    2 2 1 1 3 5 (3 ) 1, = 1 3 1 1 5 0 = 3 th         −            当 时， 此时， ； 当 时， ，此时

表观反应速率常数和表观反应级数n分别为： E=k·D)12 L n= n十1 2 表观反应速率常数和有效扩散系数与温度的关系分别为： 及=ep(一导)】 D.=D.6e(-】

表观活化能为： 叶的

表观活化能为：

结论：当内部传质阻力影响很小时，表观活化能趋近于 本征活化能，表观反应速率常数趋近于本征反应速率常 数，表观反应级数趋近于本征反应级数；当内部传质阻 力影响很大时，由于E>>E，,因此，表观活化能将趋近 于E/2,表观反应级数趋近于(+1)2。当过程为外部传质 控制时，表观活化能等于扩散活化能，表观反应级数恒 为一级

结论：当内部传质阻力影响很小时，表观活化能趋近于 本征活化能，表观反应速率常数趋近于本征反应速率常 数，表观反应级数趋近于本征反应级数；当内部传质阻 力影响很大时，由于E>>ED，因此，表观活化能将趋近 于E/2，表观反应级数趋近于(n+1) /2。当过程为外部传质 控制时，表观活化能等于扩散活化能，表观反应级数恒 为一级