5.1 催化剂颗粒内气体扩散

一、本次课主要内容

催化剂颗粒内气体扩散过程及其特征、球形及其他形状催化剂的等温宏观动力学方程。

二、教学目的与要求

掌握催化剂颗粒内气体扩散过程及其特征、球形及其他形状催化剂的等温宏观动力学方程。

三、教学重点难点

1、催化剂颗粒内气体扩散过程。

2、球形催化剂的等温宏观动力学方程。

四、教学方法和手段

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第1、2题

催化剂颗粒内气体扩散

与本征动力学的区别：在本征动力学的基础上叠加了内外扩散的影响。

催化剂主要由多孔物质构成，本章讨论：气体在固体颗粒孔内的扩散规律；固体催化剂颗粒内的温度浓度分布；宏观反应速率关联式

要解决的问题：

我们希望得到和能够知道的是气流主体处的温度和反应物浓度，但实际发生化学反应的位置，其温度浓度与气流主体不同，而化学反应的速率，恰恰取决于难于测量的实际发生化学反应的位置的温度浓度。

流体在流经固体表面时，在靠近表面的地方存在滞流层。正是这一滞流层，造成气流主体与催化剂表面温度浓度的不同。（外扩散问题）

催化剂主要由多孔物质组成；催化剂的外表面积与内表面积相比微不足道；化学反应主要发生在催化剂内表面；由于扩散的影响，催化剂内表面与外表面温度浓度可能会有较大差别。如何通过已知量估算催化剂内部的温度浓度分布（内扩散问题）

一、 催化剂颗粒内气体扩散

气体在催化剂内的扩散属孔内扩散，根据孔的大小分为两类－－，孔径较大时，为一般意义上的扩散；孔径较小时，属克努森（Knudson）扩散。

扩散的表达：费克（Fick）扩散定律

1、分子扩散

当微孔孔径远大于分子平均自由程时，扩散过程与孔径无关，属分子扩散。

判据依据： 

二元组分的分子扩散系数

• A组分在B中的扩散系数按公式计算：

• 组分A在混合物M中的扩散：

1、 克努森扩散

判断依据：

平均孔径近似计算公式

2、 综合扩散

微孔孔径在一定范围之内，两种扩散同时起作用。当10^-2< λ/d_o<10时

3、 有效扩散

在前面孔扩散的基础上进行两点修正：1、以孔的真实长度代替直孔长度

                                            x_L=τl

2、计算基准变成催化剂外表面积

例5-1  镍催化剂在200℃时进行苯加氢反应，若催化剂微孔的平均孔径d₀=5×10^-9[m]，孔隙率ε_P=0.43，曲折因子τ=4，求系统总压为101.33kPa及3039.3kPa时，氢在催化剂内的有效扩散系数D_e。