[理學(xué)]第14章非均相化反應(yīng)器-在線瀏覽
2025-03-08 14:56本頁面
【正文】 均相催化反應(yīng)、非均相催化反應(yīng) 應(yīng) 用： 有機(jī)廢氣的催化氧化處理 (Pt， MnCu， MnFe)； 低濃度廢水、污染地下水的 高級氧化處理 (TiO2)； 高濃度有機(jī)廢水的催化濕式氧化； 硝酸根廢水、硝酸鹽污染地下水的 催化還原 處理 (Fe)。 ? 催化劑只能改變反應(yīng)的歷程和反應(yīng)速率 ， 不能改變反應(yīng)的產(chǎn)物 。 ? 催化劑對反應(yīng)有較好的選擇性 ， 一種催化劑一般只能催化特定的一個或一類反應(yīng) 。 （ 金屬 、 金屬氧化物 ） (2)載體 （ 擔(dān)體 ） ： 載體常常是多孔性物質(zhì) ， 主要作用是提供大的表面和微孔 ， 使催化活性物質(zhì)附著在外部及內(nèi)部表面 。g － 1 )第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 (1)比表面積 (as)(specific Surface Area) 包括外表面積和內(nèi)表面積 )稱為比表面積 ,以 as表示 。 (2)孔體積 (Vg)和 孔 隙率 (εp) 每克催化劑內(nèi)部微孔所占的體積 。 (3)固體密度 (ρs )和顆粒密度 (ρP ) ： 固體密度 (ρs ) ： 指催化劑固體物質(zhì)本身的密度 。 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 (4)微孔的結(jié)構(gòu)與孔體積分布 (5)顆粒堆積密度 ( ρb ) 固體催化劑填充層的密度 （ 質(zhì)量與填充層體積之比 ） (6)填充層 空 隙率 (εb) 固體催化劑填充層內(nèi)空隙體積與總體積之比 。39。 ??pkkK ??吸附平衡方程（ KA為吸附平衡常數(shù)） AavAaA 39。 ????kkKPsAss 39。 ?? kkrrr ???? () () 反應(yīng) 的基本過程 PA ?（ 三 ） 本征動力學(xué) 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 基本假設(shè)： ① 三個反應(yīng)步驟 中必然存在一個控制步驟； ②除控制步驟外，其它步驟處于平衡狀態(tài)； ③吸附過程和脫附過程屬理想過程，即可用朗格謬爾吸附模型來描述。?? kpkv ??A的吸附速率： () PsAss 39。 ?? pkkv ??P的脫附速率： () 1vPA ??? ??? () 各過程的速率方程 （氣 固相反應(yīng)） AavAaAA 39。?? kkrr ????反應(yīng)物吸附和產(chǎn)物的脫附達(dá)到平衡 AvAA ?? ?pKPvPP ?? ?pKPPAAPSPAASA 1)/(pKpKpKKpKkr????? () 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 vPPPPPA 39。???第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 冪函數(shù)型的速率方程 特點： ?形式簡單，計算方便，比較適用于反應(yīng)的控制 ?不如雙曲線型的速率方程能反映反應(yīng)的機(jī)理 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 （ 四 ） 本征動力學(xué)方程的實驗測定 ? 固相催化反應(yīng)本征動力學(xué)實驗的關(guān)鍵： 排除外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散過程的影響 ? 排除外擴(kuò)散影響的方法： 加大流體速度，提高流體湍流程度，可以減小邊界層的厚度，使邊界層的擴(kuò)散阻力小到足以忽略的程度 ? 排除內(nèi)擴(kuò)散影響的方法： 盡量減小 催化劑的顆粒直徑 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 有外擴(kuò)散阻力 填充量 m2 （層高度 h2） 高流速區(qū)無外擴(kuò)散阻力 填充量 m1 （層高度 h1） 消除外擴(kuò)散影響的實驗條件的確定方法 (h1h2) 0A0nqmx A 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 一定/ A0nqm有內(nèi)擴(kuò)散阻力 無內(nèi)擴(kuò)散阻力 消除內(nèi)擴(kuò)散影響的實驗條件的確定方法 Pdx A 0 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 思考題：固體催化劑顆粒內(nèi)部各處的反應(yīng)速率是否相同？為什么 ? 內(nèi)部各處濃度不同、溫度也有可能不同。 本征反應(yīng)速率、催化劑顆粒大小、形狀、擴(kuò)散速率 影響因素： － RA與－ rA之間的關(guān)系： ?? ????PP0 P0 PAAdd)(VVVVrR () 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 應(yīng)速率度、溫度差時的理想反催化劑表面與內(nèi)部無濃催化劑的實際反應(yīng)速率??（ 二 ） 催化劑的有效系數(shù) (effective factor、 亦稱效率因子 ) AsVAPAsVPAckRVckVR ????反應(yīng)物 A在催化劑表面的濃度 以顆粒體積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率常數(shù) 流體邊界層 0 R 催化劑 顆 粒 c Ab c As c A＋dcA c A 半徑位置 dr r （三）固相催化反應(yīng)的宏觀動力學(xué) 球形固體催化劑內(nèi)反應(yīng)物 A的濃度分布 0 r R r R 0 流體中濃度 流體中濃度 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 0 R dr r ]ddd[dd)d(π4 AA2e rrccrrrD ????A從 r＋ dr面的進(jìn)入量： rcrDddπ4 A2e ?A從 r面的排出量： ))(dπ4( A2 rrr ?A的反應(yīng)量： 根據(jù)物料衡算式整理可得 (z＝ r/R)： )(dd2dd Ae2A2A2rDRzczzc ??? （邊界條件參見講義） () 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 球形催化劑的 最大 反應(yīng)速率 )/(π4 Ase2 RcDRnckRAsV3π34 （ n級反應(yīng)） 球形催化劑的內(nèi)部 最大 擴(kuò)散速率式 催化劑內(nèi)部球心處的 A的濃度為零，濃度梯度達(dá)到最大 vk2se1AsV2Ase2AsV333)/(π4π34???DckRRcDRckR nn＝＝內(nèi)部最大擴(kuò)散速率最大反應(yīng)速率e1AsVs 3 DckR n ??? Φs稱西勒 (Thiele)模數(shù) 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 ?以催化劑顆粒體積為基準(zhǔn)的最大反應(yīng)速率與最大內(nèi)擴(kuò)散速率的比值。 ?內(nèi)擴(kuò)散阻力越大， De越小， Φs值則越大。已知粗柴油的有效擴(kuò)散系 De= 104 cm2/s，試計算該催化反應(yīng)的催化劑的有效系數(shù)。 s? ～ , ? 1 s?值越大： 反應(yīng)速率與擴(kuò)散速率的比值越大，宏觀反應(yīng)速率受擴(kuò)散的影響就越大。 應(yīng) 用： 石油化工 、 有機(jī)化工 、 廢水 /廢氣的催化處理 。 反應(yīng)器類型： 熱交換方式可分為絕熱式反應(yīng)器 、 換熱式反應(yīng)器 、 自熱式反應(yīng)器等 。 設(shè)計簡化模型： 一維擬均相理想模型（最簡單的模型）的基本假設(shè)： ①流體在反應(yīng)器內(nèi)徑向溫度、濃度均一，僅沿軸向變化，流體流動相當(dāng)于 推流式反應(yīng)器 。 TCE濃度為 c0= mol/m3的 地下水 用填充TiO2的反應(yīng)器分解，流量為 qV=，分解反應(yīng)的速率是： bcacr??? 1c式中反應(yīng)速率常數(shù) a、 b分別為 :a= m3/(s?kg)， b=109m3/mol。 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 解： )(ln1dd 00c0 cc0V 0c ccabccarcrxcqm ccx ????????? ??代入數(shù)據(jù)求得： ]109%)801(ln1[)](ln1[d00VcV0?????????????? ? ccabccaqrcqmcc第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 ? ?? c0cc0cdxn rxqm 得： 由式 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 物料衡算式 反應(yīng)速率方程 (溫度、轉(zhuǎn)化率 ) ),(AA Txfr m ?? 熱量衡算式 溫度分布 第一節(jié) 固相催化反應(yīng)器 （ 二 ） 流化床反應(yīng)器的設(shè)計與操作 L m 固定式 L mf 臨界流態(tài)化 L f 散式流態(tài)化 L f 聚式流態(tài)化 節(jié)涌 氣體輸送 顆粒的流化及流化態(tài)的各種形式 流化床反應(yīng)器： 催
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