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 §8.1气固催化反应过程的研究方法 §8.2等温条件下的催化剂颗粒外部传质过程（1/2）

58气-固催化反应过程的传递现象 信阳师范学院化学化工学院 化江原理办公室

§8 气-固催化反应过程的传递现象 信阳师范学院化学化工学院 化工原理办公室

均相反应：反应区内物料处于分子尺度的均 匀，不存在物质的传递问题。它的反应系统 和反应场所是一致的，反应场所和反应系统 的浓度和温度也一致； 非均相反应：反应系统内包含两个或两个以 上的相态，并存在相界面，存在质量和热量 传递过程

均相反应：反应区内物料处于分子尺度的均 匀，不存在 物质的传递问题。它的反应系统 和反应场所是一致的，反应场所和反应系统 的浓度和温度也一致； 非均相反应：反应系统内包含两个或两个以 上的相态，并存在相界面，存在质量和热量 传递过程

物质传递 反应场所 反应速 反应结 热量传递 果 气固催化反应系统，涉及两个相，真正的反应场所是 在催化剂的表面，反应场所的浓度和温度与气流主体的浓 度和温度不一定是一致的，即反应系统内可能存在不同的 浓度和温度。由于热质传递的存在，造成反应场所的浓度 和温度的变化，必然影响反应结果

物质传递 热量传递 反应场所 反应速 率 反应结 果 气固催化反应系统，涉及两个相，真正的反应场所是 在催化剂的表面，反应场所的浓度和温度与气流主体的浓 度和温度不一定是一致的，即反应系统内可能存在不同的 浓度和温度。由于热质传递的存在，造成反应场所的浓度 和温度的变化，必然影响反应结果

气固催化反应特点： 1)反应物和产物均为气体： 2)使用固体催化剂，催化剂的活性组分分布在多 孔物质颗粒的表面上，具有惊人的内表面： 3)反应区在催化剂颗粒内表面，要提高单位催化 剂体积的生产能力，应增大催化剂的表面积

气固催化反应特点： 1）反应物和产物均为气体； 2）使用固体催化剂，催化剂的活性组分分布在多 孔物质颗粒的表面上，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面，要提高单位催化 剂体积的生产能力，应增大催化剂的表面积

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

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

§8.1气固催化反应过程的研究方法 A B (2 (3)》 (4) (5) 6 (7) 整个传递过程存在两种不同的尺度：微团尺度的传 递（颗粒尺度的内外传递过程）和设备尺度的传递（反应 器内径向和轴向存在浓度差和温度差)

A （g） B（g） A B ⑴ ⑹ ⑵ ⑺ ⑶ ⑷ ⑸ cb ceS 整个传递过程存在两种不同的尺度：微团尺度的传 递(颗粒尺度的内外传递过程)和设备尺度的传递（反应 器内径向和轴向存在浓度差和温度差）。 §8.1气固催化反应过程的研究方法

§8.1气固催化反应过程的研究方法 气固催化反应过程的特点：流体微团之间互相混 合，反应在催化剂表面上进行；反应物料的停留时间 不等于反应时间；应以反应器微元作为考察对像。反 应系统不同位置处的浓度和温度不同，反应速率大小 也不同。通过反应器实测的是流体主体 的浓度和温度，而催化剂颗粒外表面上 的浓度和温度以及内孔表面上的浓度和温 度一般无法直接准确测得。但反应速率与 浓度和温度的关系是不变的，它的反应本征 动力学关系式不会受热质传递的影响而发 生变化。反应的本征动力学为：(-rA)=k(T)f(C)=kCA E (-rA)=k,e.·c

§8.1气固催化反应过程的研究方法 气固催化反应过程的特点：流体微团之间互相混 合，反应在催化剂表面上进行；反应物料的停留时间 不等于反应时间；应以反应器微元作为考察对象。反 应系统不同位置处的浓度和温度不同，反应速率大小 也不同。通过反应器实测的是流体主体 的浓度和温度，而催化剂颗粒外表面上 的浓度和温度以及内孔表面上的浓度和温 度一般无法直接准确测得。但反应速率与 浓度和温度的关系是不变的，它的反应本征 动力学关系式不会受热质传递的影响而发 生变化。反应的本征动力学为： A B 0 ( ) ( ) ( ) ( ) is n A A E RT n A is r k T f C k C r k e c − − = =  − =  ⑴ ⑹ ⑵ ⑺ ⑶ ⑷ ⑸ Cb Tb Ces Tes Tis Cis

S8.1气固催化反应过程的研究方法 1、效率因子法： 若内外扩散阻力可忽略，则Cb≥Ces≈Cs,Tb ≈TTs,就可以通过改变主体温度和浓度，实验 测定获得反应的本征动力学规律，反应速率为 (-r)=f(Tis:Cis) 反应的选择率B=p(T,C)

1、效率因子法： 若内外扩散阻力可忽略，则Cb≈ Ces ≈ Cis，Tb ≈Tes ≈Tis，就可以通过改变主体温度和浓度，实验 测定获得反应的本征动力学规律，反应速率为 ( ) ( , ) , A is is is is r f T C   T C − = 反应的选择率 ＝ （ ） §8.1气固催化反应过程的研究方法

S8.1气固催化反应过程的研究方法 实际气固催化反应过程中，由于各处浓度和温度 一般不会相等，Cb+Ces≠Cs,Tb≠TesTis。要计算反 应速率，应加上一个校正因子，也叫效率因子或者有 效系数 (-r4)=nf(T6,C6) B=nBP(Ti:C) 效率因子法的实质是以反应本征动力学为基础的 它的动力学参数就是本征动力学参数。通过理论和实验 的研究以确定在实际应用条件下有关效率因子

实际气固催化反应过程中，由于各处浓度和温度 一般不会相等， Cb≠Ces ≠ Cis，Tb≠Tes ≠Tis。要计算反 应速率，应加上一个校正因子，也叫效率因子或者有 效系数 ( ) ( , ) ( , ) A b b B b b r f T C T C     − = = 效率因子法的实质是以反应本征动力学为基础的， 它的动力学参数就是本征动力学参数。通过理论和实验 的研究以确定在实际应用条件下有关效率因子。 §8.1气固催化反应过程的研究方法

§8.1气固催化反应过程的研究方法 2、表观动力学法 反应动力学规律是从实验测得的，因而可以设法 模拟实际反应条件，通过实验测定，直接以气流主体 的温度和浓度关联得出非均相反应过程的动力学方程 称为表观动力学。反应表观动力学有一定的适用条件， 若反应条件与实际工况差别较大，则用表观动力学进 行工业反应器的模拟计算的误差较大。表观动力学根 据尺度的不同可以分为颗粒表观动力学和床层表观动 力学

2、表观动力学法 反应动力学规律是从实验测得的，因而可以设法 模拟实际反应条件，通过实验测定，直接以气流主体 的温度和浓度关联得出非均相反应过程的动力学方程， 称为表观动力学。反应表观动力学有一定的适用条件， 若反应条件与实际工况差别较大，则用表观动力学进 行工业反应器的模拟计算的误差较大。表观动力学根 据尺度的不同可以分为颗粒表观动力学和床层表观动 力学。 §8.1气固催化反应过程的研究方法