第六章 多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象

1、6 多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象多相反應(yīng)按相態(tài)分為氣-液、氣-固、液-固、氣-液-固，按是否使用催化劑分為催化反應(yīng)、非催化反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的部位分為在兩相界面處發(fā)生反應(yīng)、在一個(gè)相內(nèi)發(fā)生反應(yīng)、在兩個(gè)相內(nèi)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)。本章主要討論氣固催化反應(yīng)，著重闡明傳遞現(xiàn)象對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的影響。6.1 多相催化反應(yīng)過程步驟6.1.1 固體催化劑的宏觀結(jié)構(gòu)及性質(zhì)絕大多數(shù)固體催化劑顆粒為多孔結(jié)構(gòu)，即顆粒內(nèi)部都是由許許多多形狀不規(guī)則互相連通的孔道所組成。顆粒內(nèi)部存在著巨大的內(nèi)表面，而化學(xué)反應(yīng)就是在這些表面上發(fā)生的。1比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量催化劑所具有的表面積，衡量催化劑表面大小，單位：。由BET法或者色譜法測(cè)定。

2、比表面與孔道的大小有關(guān)，孔道越細(xì)，比表面越大。2孔容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量催化劑所具有的孔的容積，單位：。孔道粗細(xì)不一，常用孔徑分布來描述，有時(shí)用平均孔半徑表示，而孔徑分布常用孔容分布計(jì)算得到。一般用平均孔半徑表示催化劑孔的大?。骸?孔隙率：4顆粒密度： ；真密度： ；堆積密度： 。5床層空隙率： 6顆粒直徑的三種表示方法：對(duì)于固體顆粒，由于其形狀不規(guī)則，因此其顆粒直徑有三種表示方法：體積相當(dāng)直徑： 粒子的體積， 面積相當(dāng)直徑：，粒子的外表面積比表面積相當(dāng)直徑：7形狀系數(shù) ：因?yàn)樵隗w積相同的幾何體中，圓球的外表面積最小，故，a又稱為圓球度，即接近球形的程度，為球形。例6.1 已知一催化劑顆粒的質(zhì)量為1.0

3、83g，體積為1.033cm3,測(cè)得孔容為0.255cm3/g，比表面為100m2/g，試求這粒催化劑的p、p及。解：由前邊給的p和p的定義得：p=1.038/1.033=1.048g/cm3p=0.255/(1/1.048)=0.267=2Vg/Sg=20.255/100104=50.110-8cm=50.16.1.2 多相催化反應(yīng)過程步驟以在多孔催化劑顆粒上進(jìn)行不可逆反應(yīng)為例，闡明反應(yīng)過程進(jìn)行的步驟。上圖為描述各過程步驟的示意圖。顆粒內(nèi)部為縱橫交錯(cuò)的孔道，外表面則為一氣體層流邊界層所包圍。具體步驟敘述如下：反應(yīng)物A由氣相主體擴(kuò)散到顆粒外表面外擴(kuò)散；反應(yīng)物A由外表面沿著孔道向孔內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散；

4、反應(yīng)物A在表面上吸附，生成吸附態(tài)A；吸附態(tài)A在表面上反應(yīng)，生成吸附態(tài)B表面反應(yīng)過程；吸附態(tài)B在表面上解吸，生成產(chǎn)物B；產(chǎn)物B由內(nèi)表面沿著孔道向外表面擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散；產(chǎn)物B由顆粒外表面擴(kuò)散到氣相主體外擴(kuò)散。步驟、屬外擴(kuò)散，步驟、屬內(nèi)擴(kuò)散，步驟屬表面反應(yīng)過程。在這些步驟中，內(nèi)擴(kuò)散和表面反應(yīng)發(fā)生于催化劑顆粒內(nèi)部，且兩者是同時(shí)進(jìn)行的，屬于并聯(lián)過程；而組成表面反應(yīng)過程的三步則是串聯(lián)的。示意圖如下：對(duì)于串聯(lián)過程，存在著速率控制步驟，定態(tài)下各步驟的速率相等，且等于控制步驟的速率。由于擴(kuò)散的影響，氣體主體反應(yīng)物濃度、催化劑外表面反應(yīng)物濃度、催化劑顆粒中心反應(yīng)物濃度、平衡濃度是不一樣的，且，對(duì)產(chǎn)物，其濃度高低順序正

5、好相反，。例6.2 在半徑為R的球形催化劑上，等溫進(jìn)行氣相反應(yīng)。若分別以反應(yīng)物A的濃度和產(chǎn)物的濃度為縱坐標(biāo)，徑向距離為橫坐標(biāo)，針對(duì)下列三種情況分別繪出A和B的濃度分布示意圖。（1）化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制；（2）外擴(kuò)散控制；（3）內(nèi)、外擴(kuò)散的影響均不能忽略圖中要示出、及、的相對(duì)位置。解：6.2 流體與催化劑顆粒外表面之間的傳質(zhì)與傳熱前一節(jié)提到多相催化反應(yīng)過程的第一步是反應(yīng)物從流體主體向催化劑顆粒外表面?zhèn)鬟f（擴(kuò)散），這一步的速率可表示成：傳質(zhì)速率： （1）式中：傳質(zhì)系數(shù)， 單位質(zhì)量催化劑顆粒的外表面積， 對(duì)于定態(tài)過程：傳質(zhì)速率反應(yīng)速率 （2）熱量傳遞：放熱反應(yīng)：熱量從催化劑外表面流體主體 吸熱反應(yīng)：熱量從

6、流體主體催化劑外表面?zhèn)鳠崴俾剩?（3）式中：流體與顆粒外表面之間的傳熱系數(shù)，。定態(tài)過程：傳熱速率 反應(yīng)放熱（或吸熱）速率 （4）式(1)、(2)、(3)、(4)為相間傳遞的基本方程。6.2.1 傳遞系數(shù)傳遞系數(shù)包括傳質(zhì)系數(shù)()與傳熱系數(shù)()。傳遞系數(shù)反映了傳遞過程阻力的大小，實(shí)質(zhì)上也就是圍繞催化劑顆粒外表面層流邊界層的厚薄。傳質(zhì)系數(shù)越大，傳質(zhì)過程阻力越小，傳質(zhì)速率越大；傳熱系數(shù)越大，傳熱過程阻力越小，傳熱速率越大。影響流體與固體顆粒間的傳質(zhì)系數(shù)的因素有：顆粒的形狀與尺寸、流體力學(xué)條件及流體的物理性質(zhì)。影響流體與固體顆粒間的傳熱系數(shù)的因素同樣是這些。由傳質(zhì)和傳熱的類比關(guān)系知，用j因子的辦法來關(guān)聯(lián)

7、兩相之間的傳質(zhì)和傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為合適。傳質(zhì)j因子定義： 傳熱j因子定義： 根據(jù)傳熱與傳質(zhì)的類比原理有：。無論和，均是雷諾數(shù)的函數(shù)，函數(shù)形式與床層結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)固定床：，根據(jù)這一原理，與之間可以相互換算，的實(shí)驗(yàn)測(cè)定要比的測(cè)定來的容易和準(zhǔn)確，故用j因子關(guān)聯(lián)傳熱和傳質(zhì)數(shù)據(jù)的優(yōu)越性在于可以由傳熱系數(shù)推算傳質(zhì)系數(shù)。由關(guān)聯(lián)式知，質(zhì)量速度G下降，傳質(zhì)系數(shù)下降，外擴(kuò)散傳質(zhì)阻力變大，甚至成為過程的控制步驟。實(shí)際生產(chǎn)中，在條件允許的情況下，力求用較大的質(zhì)量速度以提高設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度，故屬于外擴(kuò)散控制的氣固催化反應(yīng)過程不多。6.2.2 流體與顆粒外表面間的濃度差和溫度差傳熱速率反應(yīng)放熱速率所以并以j因子表達(dá)式代入，整

8、理后則有： 就多數(shù)氣體而言，對(duì)于固定床，于是上式簡(jiǎn)化為： 由此可見，催化劑外表面與流體主體的溫度差和濃度差成線性關(guān)系。對(duì)于熱效應(yīng)不很大的反應(yīng)，只有當(dāng)比較大時(shí)，才比較大，但對(duì)于大的反應(yīng)，即使不很大，依然很大。對(duì)于放熱反應(yīng)尤其要注意，因?yàn)閷?shí)測(cè)溫度常是，而，要避免因太大而燒壞催化劑。例6.3 為除去H2氣中少量O2雜質(zhì)，用裝有Pt/Al2O3催化劑的脫氧器進(jìn)行以下反應(yīng)：反應(yīng)速率可按下式計(jì)算： 式中pAO2分壓，Pa。脫氧器催化劑床層空隙=0.35，氣體質(zhì)量速度G=1250kg/m2.h，催化劑的顆粒直徑dp=1.86cm，外表面積am=0.5434m2/g。今測(cè)得脫氧器內(nèi)某外氣相壓力為0.1135M

9、pa，溫度373K，氣體組成H296，O24.0，試判斷在該外條件下，相間的傳質(zhì)、傳熱阻力可否忽略不計(jì)（不考慮內(nèi)擴(kuò)散阻力）？在本題條件下O2的擴(kuò)散系數(shù)為0.414m2/h,混合氣體粘度1.0310-5Pas，密度0.117kg/m3,反應(yīng)熱2.424105J/mol，相間傳熱系數(shù)2.424106J/m2h.K。解：首先求：jD=0.357/(0.35)(627)0.359=0.101因?yàn)榉磻?yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行，該處的溫度TS與O2濃度CAS，其數(shù)值暫時(shí)還不知道，為此可按下述試差法求解：（1） 先假設(shè)CAS=CAG=pAG/RT=0.11350.04/0.008314373=1.46410-3

10、mol/lTS=TG=373KpAS=pAG=0.11350.04=0.00454Mpa按此TS ，PAS的值，求出（-RA）： （A） （B）將上邊算的（-RA）及有關(guān)常數(shù)代入（A）和（B）式得： 由上得第一次修正的CAS和TS值：（2）用，再求將（-RA）及有關(guān)常數(shù)再代入（A）及（B）式得：（CAS）2=1.313010-3mol/l，(TS)2=393.71K（PAS）2=0.004284MPa（CAS）3=1.313410-3mol/l，(TS)3=393.71K（CAS）4=1.300510-3mol/l，(TS)4=394.09K（CAS）5=1.299610-3mol/l，(TS

11、)5=394.20K（CAS）6=1.299310-3mol/l，(TS)6=394.24K可以看出(CAS)6與(CAS)5，(TS)6與(TS)5已十分接近，因此最后結(jié)果是：CAG-CAS=1.46410-3-1.299310-3=0.16510-3mol/l(CAG-CAS)/CAG=0.165/1.464=11.2%TS-TG=394.24-373=21.24K上邊計(jì)算結(jié)果表明在本題給定的條件下，相間濃差和溫差是不可忽略的。 6.2.3 外擴(kuò)散對(duì)多相催化反應(yīng)的影響6.2.3.1 單一反應(yīng)因?yàn)橥鈹U(kuò)散的存在，使，所以引入外擴(kuò)散有效因子。外擴(kuò)散效率因子的定義：下面只討論顆粒外表面與氣相主體間

12、不存在溫度差、且粒內(nèi)也不存在內(nèi)擴(kuò)散阻力時(shí)的情況，即只考慮相間傳質(zhì)，而不考慮相間傳熱和內(nèi)擴(kuò)散的影響。因?yàn)轭w粒外表面上的反應(yīng)物濃度總是低于氣相主體的濃度，故對(duì)級(jí)不可逆反應(yīng)：對(duì)于一級(jí)反應(yīng)()： 對(duì)于定態(tài)過程()：式中：稱為丹克萊爾數(shù)，當(dāng)一定時(shí)，越小，越大，即外擴(kuò)散影響越小。由此得到：。若為級(jí)不可逆反應(yīng)，其丹克萊爾數(shù)的定義為： 仿照一級(jí)反應(yīng)的推導(dǎo)方法，可導(dǎo)出不同級(jí)數(shù)的值為：以作圖，作為參數(shù)。 (除外)；，不管為何值；在相同值下，。即級(jí)數(shù)越高，降低越嚴(yán)重，越有必要消除外擴(kuò)散阻力。6.2.3.2 復(fù)合反應(yīng)一平行反應(yīng)ABAD無外擴(kuò)散阻力影響時(shí)， 總是本征反應(yīng)速率，即反應(yīng)所消耗的反應(yīng)物能通過內(nèi)擴(kuò)散及時(shí)得到補(bǔ)充

13、，這樣孔壁內(nèi)各處反應(yīng)物濃度幾乎都等于孔口處濃度，顆粒的內(nèi)表面幾乎都得到了利用 (蛋黃型) 。若內(nèi)擴(kuò)散速率3，內(nèi)擴(kuò)散影響相當(dāng)嚴(yán)重，用簡(jiǎn)化式計(jì)算所得的值與用精確式計(jì)算的結(jié)果完全一致。例6.6 在等溫球形催化劑上進(jìn)行一級(jí)可逆反應(yīng)，試推導(dǎo)內(nèi)擴(kuò)散有效因子計(jì)算式。解：一級(jí)可逆反應(yīng)的速率方程為 若為組分A的初始濃度，則，上式又可寫成 （A）設(shè)為組分A的平衡濃度，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，故有 所以，式（A）可改寫為 （B）這是一級(jí)可逆反應(yīng)速率的另一種表達(dá)方式。為了求內(nèi)擴(kuò)散有效因子，首先須建立擴(kuò)散反應(yīng)方程，顯然方程的形式與用于不可逆反應(yīng)的式（6.55）一樣，差別只在于反應(yīng)速率項(xiàng)，即 （C）其邊界條件也和式（6.55）的完

14、全一樣。設(shè) 及 （D）則式（C）變?yōu)?相應(yīng)的邊界條件改寫為 作這樣的變換后，除了符號(hào)的差別外，與式（6.55）就沒有什么不同了，顯然其解也應(yīng)相同，即式（6.57） （E）既然如此，導(dǎo)出的內(nèi)擴(kuò)散有效因子計(jì)算式，其形式也必然與不可逆反應(yīng)一樣，即 （F）但是的定義卻不同，以式（D）代替式（6.59），即以替換，當(dāng)然和仍為以催化劑顆粒體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)。例6.7 在直徑為8mm的球形催化劑上等溫進(jìn)行甲苯氫解反應(yīng)：反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率方程為：原料氣中甲苯和氫的濃度分別為0.1及0.48kmol/m3，試計(jì)算甲苯轉(zhuǎn)化率等于10時(shí)的內(nèi)擴(kuò)散有效因子。假定外擴(kuò)散阻力可忽略，甲苯在催化劑中的有效擴(kuò)散系數(shù)等于8.4

15、210-8m2/s。 解：當(dāng)甲苯的濃度為CA時(shí)，則氫的濃度為CB0-（CA0-CA）=（CB0-CA0）+CA，所以由題給條件知：由積分表查出下列積分： 由于外擴(kuò)散忽略，因之氣相主體濃度也就等于催化劑外表面上的濃度，當(dāng)轉(zhuǎn)化率為10時(shí)，甲苯的濃度為：CAS=0.1-0.10.1=0.09kmol/m3 6.4.3 內(nèi)外擴(kuò)散都有影響時(shí)的總有效因子總有效因子定義：對(duì)定態(tài)過程：一級(jí)反應(yīng)： 當(dāng)只有外擴(kuò)散，內(nèi)擴(kuò)散阻力可忽略不計(jì)時(shí)，當(dāng)只有內(nèi)擴(kuò)散，內(nèi)擴(kuò)散阻力可忽略不計(jì)時(shí)，6.5 內(nèi)擴(kuò)散對(duì)復(fù)合反應(yīng)選擇性的影響6.5.1 平行反應(yīng)A BA D 當(dāng)有內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)，當(dāng)無內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)，當(dāng)，內(nèi)擴(kuò)散影響對(duì)不利當(dāng)，內(nèi)擴(kuò)散對(duì)反

16、應(yīng)無影響 當(dāng)，內(nèi)擴(kuò)散影響對(duì)有利6.5.2 連串反應(yīng) 存在內(nèi)擴(kuò)散阻力時(shí)，當(dāng)無內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí), ,，內(nèi)擴(kuò)散的存在對(duì)連串反應(yīng)不利。6.6 氣固催化反應(yīng)中擴(kuò)散影響的排除6.6.1 外擴(kuò)散影響的排除根據(jù)邊界層理論：當(dāng)氣體流速u或G傳質(zhì)邊界層，不變，改變催化劑裝填量和氣體流量，但保持，即空速不變。只要，外擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)沒有影響，外擴(kuò)散阻力可忽略。注意：1.多次實(shí)驗(yàn)均需把保持反應(yīng)器重相同的流動(dòng)狀態(tài)，如均保持為活塞流； 2.同一催化劑，可用的反應(yīng)溫度越高，消除外擴(kuò)散影響可需要的質(zhì)量速度越大； 3.對(duì)同一反應(yīng)，可用的催化劑活性越好，消除外擴(kuò)散影響可需要的質(zhì)量速度越大。 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的反應(yīng)器，難以通過改變流速來考察外擴(kuò)散

17、影響，可用下列判據(jù)來判斷： 1. 式中：實(shí)際測(cè)得的反應(yīng)速率（表觀反應(yīng)速率）； 反應(yīng)級(jí)數(shù)； L定性尺寸（薄片為其厚度的一半，球形則為R/3）。若滿足上式，則氣體主體與催化劑外表面的濃度差（）可忽略不計(jì)。 2. 若滿足上式，則氣體主體與催化劑外表面的溫度差（）可忽略不計(jì)。6.6.2 內(nèi)擴(kuò)散影響的排除而：當(dāng)反應(yīng)物系的組成、溫度一定 ，則，一定； 當(dāng)催化劑配方和成型方法一定，一定。則：，僅是顆粒粒度的函數(shù)，只要, 可認(rèn)為內(nèi)擴(kuò)散阻力已消除，此時(shí)若外擴(kuò)散阻力已消除，則測(cè)得的反應(yīng)速率即為本征反應(yīng)速率。注意：1.反應(yīng)溫度越高，消除內(nèi)擴(kuò)散影響所要求的粒度越小；2.反應(yīng)物濃度越高，消除內(nèi)擴(kuò)散影響所要求的粒度越小。

18、，為了使，應(yīng)。同理：，為了使，應(yīng)。6.6.3 有效系數(shù)的測(cè)定6.6.3.1 粉碎法缺點(diǎn)：需要用幾種粒徑的催化劑粒子進(jìn)行試驗(yàn)。6.6.3.2 只要兩種粒徑的催化劑粒子測(cè)（和均未知） 分別由、實(shí)驗(yàn)測(cè)得， （*）反復(fù)計(jì)算，直至等式成立，此時(shí)的1，2即為所求。缺點(diǎn)：此式當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散嚴(yán)重時(shí)不適用。 內(nèi)擴(kuò)散嚴(yán)重時(shí)，連等式總是成立，故不能用此法求 1 和26.6.3.3 只用一種粒徑催化劑測(cè)（球形顆粒）設(shè)進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，已排除了外擴(kuò)散，均可由試驗(yàn)直接測(cè)得，從而就能算得。設(shè)反復(fù)計(jì)算，直至成立，此時(shí)的值即為所求，且可由值判斷內(nèi)擴(kuò)散阻力的大小。對(duì)于嚴(yán)重內(nèi)擴(kuò)散：當(dāng)為嚴(yán)重內(nèi)擴(kuò)散，6.7 擴(kuò)散干擾下的動(dòng)力學(xué)假象6.7.

19、1 外擴(kuò)散干擾若在處于外擴(kuò)散控制的條件下進(jìn)行多相催化的動(dòng)力學(xué)測(cè)定，無論改反應(yīng)的本征速率方程式何種形式，更具實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)與反應(yīng)物濃度相關(guān)聯(lián)的結(jié)果均呈線性關(guān)系，即處于外擴(kuò)散控制區(qū)的任何反應(yīng)，表觀上都變成了一級(jí)反應(yīng)。要注意外擴(kuò)散影響的排除，否則就會(huì)設(shè)出某一反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)的錯(cuò)誤結(jié)論。6.7.2 內(nèi)擴(kuò)散干擾（已消除了外擴(kuò)散）6.7.2.1 對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)的影響 （1） （2） （3） （4） 表觀反應(yīng)速率常數(shù) 表觀反應(yīng)級(jí)數(shù) （5） （6） （7） （8）當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散影響可忽略時(shí)，此時(shí)本征反應(yīng)級(jí)數(shù)不受內(nèi)擴(kuò)散的影響。當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重時(shí)， 所以，當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散有影響時(shí)，隨著影響程度的不同，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)在范圍內(nèi)變化

20、。6.7.2.2 對(duì)活化能的影響 （9） （10） （11） （12）表觀活化能 （13）本征活化能 （14） （15） （16） （17）當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散影響可忽略時(shí)：當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重時(shí)：所以，當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散有影響時(shí)，隨著影響程度的不同，表觀活化能在范圍內(nèi)變化。區(qū)：高溫區(qū)，過程為外擴(kuò)散影響 ，區(qū)：內(nèi)外擴(kuò)散的過渡區(qū)，兩種擴(kuò)散的影響均不能忽略，隨溫度而變區(qū)：強(qiáng)內(nèi)擴(kuò)散區(qū)，區(qū)：內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過渡區(qū) 區(qū)：動(dòng)力學(xué)控制區(qū) 低溫區(qū)，隨差擴(kuò)散作用減弱。6.1、在半徑為R的球形催化劑上，等溫進(jìn)行氣相反應(yīng)。試以產(chǎn)物B的濃度CB為縱座標(biāo)，徑向距離r為橫座標(biāo)，針對(duì)下列三種情況分別繪出產(chǎn)物B的濃度分布示意圖。（1） 化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制（2

21、） 外擴(kuò)散控制（3） 內(nèi)、外擴(kuò)散的影響均不能忽略圖中要示出CBG，CBS及CBe的相對(duì)位置，它們分別為氣相主體、催化劑外表面、催化劑顆粒中心處B的濃度，CBe是B的平衡濃度。如以產(chǎn)物A的濃度CA為縱座標(biāo),情況又是如何?6.2 已知催化劑顆粒外表面的氣膜傳熱系數(shù)為117w/m2K,氣體的密度和熱容分別為0.8kg/m3和2.4J/kgK,試估算氣膜的傳質(zhì)系數(shù).6.3 某催化劑,其真密度為3.60g/cm3,顆粒密度為1.65g/cm3,比表面積為100m2/g.試求該催化劑的孔容,孔隙率和平均孔半徑.6.4 已知鐵催化劑的堆密度為2.7g/cm3, 顆粒密度為3.8 g/cm3,比表面積為16m

22、2/g,試求每毫升顆粒和每毫升床層的催化劑表面積.6.5 試推導(dǎo)二級(jí)反應(yīng)和半級(jí)反應(yīng)的擴(kuò)散有效因子表達(dá)式.6.6 在充填ZnO-Fe2O3催化劑的固床反應(yīng)器中,進(jìn)行乙炔水合反應(yīng):已知床層某處的壓力和溫度分別為0.10Mpa,400,氣相中C2H2含量為3%(mol),該反應(yīng)速率方程為r=kCA,式中CA為C2H2的濃度,速率常數(shù)k=7.06107exp(-61570/RT),h-1,試求該處的外擴(kuò)散有效因子.數(shù)據(jù):催化劑顆粒直徑0.5cm,顆粒密度1.6g/cm3,C2H2擴(kuò)散系數(shù)7.310-5m2/s,氣體粘度2.3510-5Pas,床層中氣體的質(zhì)量流速0.2kg/m2s.6.7實(shí)驗(yàn)室管式反應(yīng)

23、器的內(nèi)徑2.1cm,長(zhǎng)80cm ,內(nèi)裝直徑6.35mm的銀催化劑進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng),原料氣為含乙烯2.25%(mol)的空氣,在反應(yīng)器內(nèi)某處測(cè)得P=1.06105Pa,TG=470K,乙烯轉(zhuǎn)化率35.7%,環(huán)氧乙烷收率23.2%,已知顆粒外表面對(duì)氣相主體的傳熱系數(shù)為58.3w/m2K,顆粒密度為1.89g/cm3.設(shè)乙烯氧化的反應(yīng)速率為1.0210-2kmol/kgh,試求該處催化劑外表面與氣流主體間的溫度差.6.8 一級(jí)連串反應(yīng):在0.1Mpa及360下進(jìn)行,已知k1=4.368 s-1,k2=0.417 s-1,催化劑顆粒密度為1.3g/cm3,(kGam)A和(kGam)B均為20cm3/

24、gs.試求當(dāng)CBG/CAG=0.4時(shí)目的產(chǎn)物B的瞬時(shí)選擇性和外擴(kuò)散不發(fā)生影響時(shí)的瞬時(shí)選擇性.6.9 在Pt/Al2O3催化劑上于200用空氣進(jìn)行微量一氧化碳反應(yīng),已知催化劑的孔容為0.3cm3/g,比表面積為200m2/g,顆粒密度為1.2g/cm3,曲節(jié)因子為3.7.CO-空氣二元系統(tǒng)中CO的正常擴(kuò)散系數(shù)為0.192cm2/s.試求CO在該催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù).6.10 試推導(dǎo)球形催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子表達(dá)式.6.11 在球形催化劑上進(jìn)行氣體A的分解反應(yīng),該反應(yīng)為一級(jí)不可逆放熱反應(yīng).已知顆粒直徑為0.3cm,氣體在顆粒 中有效擴(kuò)散系數(shù)為4.510-5m2/h,顆粒外表面氣膜傳熱系數(shù)為4

25、4.72w/m2K,氣膜傳質(zhì)系數(shù)為310m/h,反應(yīng)熱效應(yīng)為-162kJ/mol,氣相主體A的濃度為0.20mol/l,實(shí)驗(yàn)測(cè)得A的表觀反應(yīng)速率為1.67mol/minl, 試估算：（） 外擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的影響；（） 內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的影響；（） 外表面與氣相主體間的溫度差6.12 在固體催化劑上進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng) （A）已知反應(yīng)速率常數(shù)k,催化劑外表面積對(duì)氣相的傳質(zhì)系數(shù)為kGam,內(nèi)擴(kuò)散有效因子.CAG為氣相主體中組分A的濃度.(1)試推導(dǎo): （B） (2)若反應(yīng)式(A)改為一級(jí)可逆反應(yīng)則相應(yīng)的(B)式如何?6.13 在150,用半徑100m的鎳催化劑進(jìn)行氣相苯加氫反應(yīng),由于原料中氫

26、大量過剩,可將該反應(yīng)按一級(jí)(對(duì)苯)反應(yīng)處理,在內(nèi),外擴(kuò)散影響已消除的情況下,測(cè)得反應(yīng)速率常數(shù)kp=5min-1, 苯在催化劑顆粒中有效擴(kuò)散系數(shù)為0.2cm2/s,試問:(1) 在0.1Mpa 下,要使=0.8,催化劑顆粒的最大直徑是多少?(2) 改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比,重復(fù)上問的計(jì)算.(3) 改為液相苯加氫反應(yīng),液態(tài)苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)10-5 cm2/s.而反應(yīng)速率常數(shù)保持不變,要使=0.8,求催化劑顆粒的最大直徑.6.14 一級(jí)不可逆反應(yīng),在裝有球形催化劑的微分固定床反應(yīng)器中進(jìn)行溫度為400等溫,測(cè)得反應(yīng)物濃度為0.05kmol/m3時(shí)的反應(yīng)

27、速率為2.5 kmol/m3床層min ,該溫度下以單位體積床層計(jì)的本征速率常數(shù)為kv=50s-1 ,床層孔隙率為0.3,A的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.03cm2/s,假定外擴(kuò)散阻力可不計(jì),試求:(1) 反應(yīng)條件下催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子(2) 反應(yīng)器中所裝催化劑顆粒的半徑6.15 在0.10Mpa,530進(jìn)行丁烷脫氫反應(yīng),采用直徑5mm的球形鉻鋁催化劑,此催化劑的物理性質(zhì)為:比表面積120m2/g,孔容0.35cm3/g,顆粒密度1.2g/cm3,曲節(jié)因子3.4.在上述反應(yīng)條件下該反應(yīng)可按一級(jí)不可逆反應(yīng)處理,本征反應(yīng)速率常數(shù)為0.94cm3/gs,外擴(kuò)散阻力可忽略,試求內(nèi)擴(kuò)散有效因子.6.16 在固定床反應(yīng)器中等溫進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),床內(nèi)填充直徑為6mm的球形催化劑,反應(yīng)組分在其中的擴(kuò)散系數(shù)為0.02cm2/s,在