什么是反应相内传质和传热?

[拼音]：fanyingxiang nei chuanzhi he chuanre

[外文]：internal mass and heat transfer

简称内部传递过程。多相反应过程中反应器传递过程之一，包括反应物自相界面向反应相内部（以下简称内部）进行的伴有化学反应的传递；反应产物自相内部向相界面的传递；以及由于反应热效应引起的相应的传热。传热方向与反应物传递方向的异同，视反应为放热或吸热而异。反应相外传质和传热为反应器中的另一传递过程。

如果反应相是颗粒状催化剂，则相界面为催化剂的外表面，反应主要在催化剂的内表面上进行。内部传质模型把组成催化剂内表面的纵横交错的微孔简化为均布在催化剂内部的圆柱形直孔，这些圆孔的直径和长度均相等，沿着直孔发生扩散和反应的双重作用，反应物A的浓度从外表面处的C岟沿催化剂的纵深而降低。这一简化的物理模型，等效于反应物在一个无微孔的反应相内同时进行扩散和反应。与此类似，液滴为分散相的内部传质也可简化为同样的物理模型。依此模型，在一半径为R0的球形的反应相微元内，任意半径R处反应物A的浓度CA和界面浓度C岟有如下关系：

式中：

φ称蒂利模数，又称西勒模数；k为反应速率常数；n为反应级数；De为相内有效扩散系数。

蒂利模数为一无因次数群，反映了极限的反应速率(CA=C岟为CA的上限，此时反应速率最高)与极限内部传质速率（内部CA=0，为不可逆反应时CA的下限，此时传质速率最高）之比。以界面浓度C岟为基准，则表观反应速率-rA为：

式中ηi为内部效率因子，或称内部有效因子，它是φ的函数，表示反应相的利用率。

1934年，美国E.W.蒂利研究证明在反应相等温条件下，ηi 恒小于或等于1（见图）。

由图可以看出：

（1）当φ接近于零时，ηi接近于 1，说明表观反应速率几乎不受内部传质的影响，即表观动力学与本征动力学接近。实验也表明，反应相微元大小几乎不影响表观速率。

（2）当φ值很大时，ηi很小，传质对反应有严重影响，反应主要是在界面附近的狭小区域内进行。表观动力学与本征动力学相差甚远，表观反应级数趋于(n+1)/2，表观活化能趋于真实活化能的 1/2。实验则表现出表观速率几乎与反应相尺度(如球形催化剂直径)的倒数成正比。

（3）φ值高，表示传质阻力大，反应物浓度低。对于要求反应物浓度高、产物浓度低的反应(如伴有串联副反应的反应)，高φ值总是不利的因素。只有在伴有平行副反应的反应中，当主反应级数低于副反应级数时，高φ值才为有利。如果考虑到非等温条件，对放热反应来说，相内反应速率常数k可高于外表面温度(即等温条件)下k的数值，则ηi须另行计算，其值可高于1。

如果反应放热，则内部温度高于界面温度，对伴有串联副反应或平行副反应的反应来说，当主反应活化能高于副反应活化能时，内部温升有利于选择性。对多数气固相反应过程，传质阻力常集中于内部，传热阻力则常集中在外部；对液固相反应过程，情形正好相反。