内扩散影响程度实验研究 请考虑在一直径为1.8cm的球形催化剂颗粒上进行的一级反应A→P。实验数据列于下表：

颗粒内、外扩散影响的计算

  用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为y_A=0.5，操作压力p=0.10133MPa，反应温度T=500℃，已知单位体积床层的反应速率常数为0.333s^-1，床层空隙率为0.5，组分A在粒内有效扩散系数为0.00296cm²/s，外扩散传质系数为40m/h，试计算：

  (1)催化剂内表面利用率η₂，其影响是否严重?

  (2)催化剂外表面浓度c_A,es，并说明外扩散影响是否严重?

  (3)计算表观反应速率。

颗粒内、外扩散影响的判断

  用直径为1mm的球形颗粒进行一级不可逆反应A→P，气流主体中A的浓度为c_A,b=0.01kmol/m³，测得单位床层表观反应速率R=400kmol/(m³·h)，床层空隙率为0.4，组分A在粒内有效扩散系数为10^-3m²/h，外部传质系数k_g=50m/h。试计算内、外扩散对反应过程影响的程度。

颗粒内、外扩散影响实例分析

  克宁汉(Cunningham)测定了CuO-MgO催化剂上乙烯加氢的总速率。使用的催化剂有两种形式：100目(颗粒直径为0.149mm)颗粒和三种密度的1.2mm球形颗粒。忽略两种形式表面浓度和温度差别。在100目颗粒和球形颗粒外表面上乙烯和氢几乎是同样浓度条件下的速率数据如下：

  问：

  (1)确定反应过程的本征活化能；

  (2)在所列出温度下计算每种密度球形颗粒的效率因子；

  (3)为什么有的效率因子大于1，有些则小于1?

  (4)为什么速率和效率因子随球形颗粒密度减小而增加?

颗粒的温度估算

  在甲烷气-固催化氧化反应过程中，催化剂颗粒直径为6mm，试计算下列两种情况的颗粒中心与外表面间最大温差：

  (1)反应气体中甲烷在空气中的浓度为0.02(摩尔分率)；

  (2)如果甲烷在空气中浓度提高到0.1(摩尔分率)。

  假设外扩散阻力可忽略不计，并已知：

  反应热效应

  (-△H)=890360J/mol

  颗粒内孔有效扩散系数为

  D_e=0.00368cm²/s

  颗粒的有效导热系数

  λ_e=0.002218J/(s·cm·℃)

  反应条件为0.10133MPa和450℃条件下等温反应。

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

  催化剂为球形颗粒，直径为8mm，颗粒密度为0.9g/cm³，堆积密度为0.6g/cm³，反应物的质量流速为1500kg/(m²·h)。已知在反应器中某处反应物组成为1.2%C₆H₆，92%H₂及6.8%环-C₆H₁₂气体温度为180℃，压力为0.10133MPa，反应速率为0.0195mol环-C₆H₁₂/(g(cat)·h)。试估算该处催化剂外表面温度及C₆H₆的浓度。

  已知在给定温度、压力、混合气组成时气体的物理性质如下：

  C₆H₆的扩散系数0.678cm²/s，气体混合物导热系数为0.7322kJ/(mol·℃)，混合气体黏度为1.161×10^-5Pa·s，混合气体平均热容为37.24kJ/(mol·℃)，反应热为

  (-△H)=213384J/mol。

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。