反应相外传质和传热

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反应相外传质和传热反应相外传质和传热

反应相外传质和传热正文

　　简称外部传递过程。多相反应过程中反应器传递过程之一，反应相外部（以下简称外部）进行的即非反应相与相界面之间的传质和传热。反应相内传质和传热为反应器中的另一传递过程。
　　多相反应的进行，首先必须依靠反应物由非反应相传向相界面，然后再由相界面传向反应相，反应产物则从反应相传向相界面，然后再由相界面向外部传递。例如气固相催化反应中，反应物向催化剂外表面传递，产物则从催化剂外表面向气相主体传递。由于反应的热效应,也伴随着相应的热量传递。由于外部的传质阻力,所以在相界面处，反应物A的浓度必然低于外部主体,产物的浓度则高于外部主体浓度。因为界面上反应物的浓度难以直接测定，故常以外部主体浓度作为基准，并采用外部效率因子的概念来描述相外传质对反应速率的影响。
　　外部传质模型　设以C岹表示反应物外部主体浓度，C岟为反应物界面浓度。对各级反应来说,虽函数形式不同，但均有：

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式中Dɑ称为达姆科勒数，其物理意义为极限的反应速率(C岟=C岹时的反应速率，此时反应速率最高)与极限的传质速率（对不可逆反应为C岟=0时的传质速率,此时传质速率最高）之比。以外部主体浓度C岹作为基准,表观速率为：

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式中n为反应级数；k为反应速率常数；η_e为外部效率因子，或称外部有效因子，它是Dɑ的函数，反映界面反应物浓度降低对反应速率的影响程度。对等温条件下η_e与Dɑ的关系（见图），

可作如下分析：①如果Dɑ值接近于0，则η_e接近于1，过程为反应控制，表观速率不受传质影响。这时表观动力学与本征动力学接近。②如果Dɑ值很大，则η_e很小，过程为传质控制，表观速率取决于传质速率，表观动力学与扩散动力学相近。表观级数趋向于1级,表观活化能由于传质系数的温度效应很小而趋于零。③Dɑ值高表示传质阻力大，界面反应物浓度低，对于高反应物浓度和低产物浓度有利的反应（如伴有串联副反应的反应），Dɑ值高总是不利因素。对于平行反应，只有当主反应级数低于副反应级数时Dɑ值高才为有利。
　　在等温条件下，对于正级数反应,η_e恒小于1。当界面温度高于非反应相主体温度时，界面温度下的反应速率常数大于非反应相主体温度下的反应速率常数，η_e可大于1，需根据温升另行计算。
　　外部传热　与传质有类似的关系。在反应相为分散相的情形下，反应热主要通过相际传热移去或输入。相界面温度Ti与连续相主体温度T之差为：

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式中-ΔH为反应热效应；-r_A为反应速率；ɑ为单位反应器体积的相界面面积；α为传热分系数。当反应放热时，界面温度上升。对有副反应的反应，只有当主反应活化能高于副反应活化能时，界面温升对表观选择性才为有利。如果为传质控制，则

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式中ΔT_ad为反应系统的绝热温升（反应物全部反应后所释放的热量用以加热反应物系自身所达到的温升）；Pr和Sc分别为物系的普朗特数和施密特数。当活化能和系统绝热温升相当高时，可导致反应相的多态现象（见反应器动态特性）。对多数气固相反应过程，传质阻力主要在内部，传热阻力常常集中在外部；对液固相反应过程，情形恰好相反。