颗粒外表面温度与浓度 在Al2O3为载体的Ni催化剂上进行苯气相加氢反应 C6H6+3H2→环-C6H12 催化剂为球形颗

气-固催化反应过程分析

  下表为转框式试验反应器中测得的气-固催化反应动力学数据。已知反应为一级，并假设颗粒温度均匀，且等于周围的气体温度，试分析扩散阻力影响，并求反应活性能。

工业粒度催化剂动力学研究中内扩散影响

  在一内循环无梯度反应器中进行一级不可逆反应，已知两次实验的催化剂用量W以及原料的体积流量υ₀均相同，采用不同粒度的催化剂，测得的实验结果如下表：

  试由实验结果估计内扩散影响程度。

粒直径为1mm，在反应温度下，反应速率常数k=0.1s^-1(以催化剂体积为基准)。假定反应物系气体密度为1kg/m³，黏度为3×10^-5Pa·s，扩散系数为4×10^-5m²/s，试估计外部效率因子η₁。

在流化床反应器中进行气固催化反应，反应速率方程为(-r_A)=kc_A，已知k=0.741s^-1，气速为0.2m/s．气体扩散系数为8×10^-5m²/s，气体密度为0.558kg/m³，黏度为3×10^-5Pa·s，床层空隙率ε=0.5，颗粒平均直径为4×10^-4m，流化床传质关联式为Sh=2+0.6Re^1/2Sc_1/3，试估计外部效率因子η₁。

苯与乙烯气相烷基化反应条件是：入口温度T₀为400℃，反应在苯过量情况下进行，可把反应速率认为对乙烯是一级，其反应速率常数k=384s^-1(以反应器体积为基准)，混合气体黏度为1.8×10^-5Pa·s，密度ρ=23.5kg/m³，乙烯在苯中扩散系数为2×10^-5m²/s，混合气体表观气速u=0.15m/s，催化剂颗粒为φ2×1.5的圆柱形颗粒，床层空隙率为0.4，试估计外部传递阻力对反应的影响。

苯在钒催化剂上进行一级氧化反应，n=1，703K，0.10133MPa下，反应速率为8.72×10^-4mol/(h·g(cat))，试估计外扩散的影响。已知空气中苯浓度为0.01(体积分率)，质量流率G=0.1349kg/(m²·s)，催化剂颗粒密度为1.45g/cm³，d_P=1mm，反应气体在反应条件下的参数为

  Pr=0.565，μ=2.78×10^-4Pa·s

  苯在空气中的扩散系数D_AB=0.381cm²/s，床层空隙率为0.34。

在流化床中进行萘催化氧化反应生产苯酐，n=1，D=4×10^-5m²/s，反应历程如下：

  在360℃，V₂O₅催化剂存在下，

  k₁+k₃=0.741s^-1，k₂=0.017s^-1

  催化剂颗粒平均直径为0.4mm，问该反应的外扩散影响程度如何?已知流化床中，对细颗粒的Sh≈2。

一级流固催化反应，在d_P=5mm的球形催化剂上进行，床层空隙率ε=0.4，流体线速度为u=0.1m/s，以床层计的反应速率常数k=0.5s^-1，计算下列两种情况下外扩散的影响：

  (1)流体混合物平均密度ρ_g=1kg/m³，黏度μ=3×10^-5Pa·s，扩散系数为D=4×10^-5m²/s。

  (2)流体混合物平均密度ρ_f=10³kg/m³，黏度μ=10^-3Pa·s，扩散系数为D=8×10^-10m²/s。

在氧化铝为载体的镍催化剂上，进行苯气相加氧反应以生产环己烷，即

  C₆H₆+3H₂→C₆H₁₂

  催化剂为圆柱状，直径和高度均为8mm，颗粒密度为0.9g/cm³，堆积密度为0.6g/cm³，反应混合物以质量速度为1500kg/(m³·h)，通过反应器。已知在反应器的某一截面处，反应混合物组成为：C₆H₆1.2%，H₂92%，环-C₆H₁₂6.8%。气体温度为180℃，压力为0.10133MPa，反应速率为0.0195mol(环C₂H₁₂)/(g(cat)·h)，试计算该处催化剂外表面的温度和苯浓度。

  根据给定的温度、压力及混合气组成，可以估算出反应气体的物理性质如下：苯的扩散系数D=0.678cm²/s，气体混合物导热系数λ_g=0.7322kJ/(m·h·℃)，混合气体黏度μ=1.161×10^-5Pa·s，混合气体平均热容c_p=37.24kJ/(kmol·℃)，反应热(-△H)=213384J/mol

乙烯直接水合制乙醇的反应速率式为(-r_A)=kc_A，在300℃，7MPa，有效扩散系数D_e=7.04×10^-4cm²/s，反应速率常数k=0.09s^-1，采用球形颗粒5mm催化剂，试问颗粒内扩散影响程度。