催化剂内扩散有效因子测定
“多相系统中的化学反应与传递现象”是 《反应工程》 课程的重点内容之一， 通过本实验使学生对课程的内容有更深入地理解。环己烷作为己二酸和己内酰 胺的合成原料，用于尼龙66等纤维和树脂生产，此外常用作有机溶剂。国际上，环 己烷的生产方法以苯加氢为主，其次是石油烃分离法。苯加氢制环己烷，采用气固相 催化反应或液相催化反应都可得到较高收率，工业上两种方法都有万吨级的上产规模。 本实验采用气固相催化加氢法，用镍催化剂在固定床反应器中合成环己烷。本实验测定苯 加氢气固催化反应本征动力学、测定催化剂内扩散有效因子。
通过仿真实验，可以进行催化剂内扩散有效因子测定实验流程的模拟操作。解 决了催化剂内扩散有效因子测定实验过程中的预习难、实验讲解难、实验操作 难、练习难、数据处理难、实验考核难、实验教学管理难等一系列问题，提高 了教与学的质量。
通过催化剂内扩散有效因子测定实验仿真系统，学生可以了解催化剂 内扩散有效因子测定实验的目的、原理、设备、操作流程以及数据处理 方法等。学习装置中各个部件的名称、用途。通过模拟仿真操作，学生掌 握催化剂内扩散有效因子测定实验的操作流程及每一步操作会产生的响应。 掌握催化剂内扩散有效因子的概念及其实验测定方法，了解本征反应动力学的 实验测定方法。
装置由反应系统和控制系统组成：反应系统的反应器为管式，不锈钢材质。 反应管内径：20mm； 长度：550mm。管内有直径为3mm的不锈钢管穿过反应管 的上下两端，以便在3mm管内插入直径为1mm的垲装式热电偶，通过上下拉动热电偶 可测出床层内不同高度处的反应温度。预热器直径：10mm； 长度：250mm；加热功率：0.5kW。
反应加热炉采用三段加热控温方式，加热炉直径：220mm；长度：550mm；各段加热功率：1kW。上下段温度控制灵活，恒温区较宽。控温与测温数据均数字显示。
1—氢气钢瓶；2—稳压阀； 3—调节阀；4—苯计量泵；5—转子流量计；6—压力表 ；7—预热器；8—床层测温热电偶； 9—反应管；10—催化剂/填料复合床层；11、12、13—加热炉上、中、下三段热电偶；14—苯储罐；15—气相色谱仪
苯加氢气固催化反应本征动力学：
在Ni/Al2O3固体催化剂作用下，苯加氢反应方程式为：
此反应可近似看成单一不可逆放热反应，在氢气大大过量的情况下可视为拟一级反应，故：
kp—本征反应速率常数；
CAG—苯的摩尔浓度。
宏观动力学
固体催化剂外表面为一气体层流边界层所包围，颗粒内部则为纵横交错的孔道。
多相催化反应过程步骤包括：
(1)反应物由气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散；
(2)反应物由外表面向孔内扩散，到达内表面——内扩散；
(3)反应物在内表面上吸附；
(4)反应物在内表面上反应生成产物；
(5)产物自内表面解吸；
(6)产物由内表面扩散到外表面——内扩散；
(7)产物由颗粒外表面扩散到气相主体——外扩散。
气固催化反应的速率不但与化学反应有关，还和流体流动、传热、传质有关 ，这种包括了物理过程影响的化学反应速率叫做宏观反应速率。通常用有效因子的概念来表示扩散对反应的影响，则：
——总有效因子，它表示了内、外扩散阻力对化学反应影响程度的大小。
通过床层的流体质量速度G对外扩散有显著影响，G增大时，外扩散速率变快，而G的变化对内扩散并无影响。
此时可认为外扩散的阻力为零，只存在内扩散阻力。
当只有内扩散影响，外扩散阻力可不计时：
内扩散有效因子的测定：
在外扩散影响已经消除的基础上测定内扩散有效因子。
实验在装填有一定质量、一定粒径球形催化剂的固定床反应器中进行。取微元dW对A组分作物料衡算可得：
在某一反应温度下，通过改变苯和氢气的进料流量，测定相应的出口组成，求得苯的转化率xA，得到xA～W/FA0曲线，曲线上任意一点的斜率就对应于该转化率下的宏观反应速率，而：
式中：
根据进料组成求得。所以：
由于本征反应速率常数kP值未知，故不能直接由式（8）求出内扩散有效因子。
在球形颗粒催化剂上进行一级不可逆反应时：
为球形颗粒上进行一级反应时的西勒模数：
R——催化剂颗粒半径，为一已知值
——气态苯在催化剂颗粒内部的有效扩散系数，0.2cm2/s
定义：
上式右边各项均可由实验测得，故由此式可直接求出
值。
先假设 ，由
求出
，
判断得到的
值是否等于由式（11）求得的 ，若不等，重新假设 值，
反复计算，直到相等。若相等，此时的 值即为所求。
仿真实验中包括实验预习、实验设备、实验流程、实验操作、数据采集、数据处理、实验报告八个部分。
催化剂内扩散有效因子测定仿真实验特点：
（1）具有实验设备流程图，学生可以通过系统进行实验的整个流程的操作，实现操作部件与设备内部物流的正确物流响应关系；
（2）可以让学生熟悉实验流程，掌握实验及各部分零部件的工作原理；
（3）实现预习、练习、测试一体化效果。
