Heterogener katalytischer Stofftransferprozess

Unter den Reaktionsbedingungen bildet sich durch Reaktantenmoleküle, Produktmoleküle, Verdünnungsmittel und andere Mischungskomponenten eine stabile laminare Strömungsschicht um den Katalysatorpartikel, und ein Reaktantenmolekül muss diese laminare Strömungsschicht passieren, um die äußere Oberfläche des Katalysatorpartikels zu erreichen. Da die laminare Schicht diese Strömung behindert, entsteht ein Konzentrationsgradient zwischen der äußeren Oberfläche des Partikels und der Gasströmungsschicht.
Der Stoffübergangswiderstand zwischen der Flüssigkeit und der äußeren Oberfläche des Katalysators konzentriert sich hauptsächlich in der laminaren Grenzschicht um die Katalysatorpartikel mit einer Dicke von weniger als 1 mm. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Partikeloberfläche in der Schicht variiert stark. An der äußeren Oberfläche des Partikels ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit Null, während an der Verbindungsstelle zwischen Grenzschicht und Flüssigkeitskörper ihre Geschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit des Flüssigkeitskörpers ist. Daher wirken sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie die hydrodynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit auf die Stoffübertragungsrate aus, und auch die Partikelgröße beeinflusst die Geschwindigkeit des Übertragungsprozesses.
Der Stoffübergangskoeffizient kG nimmt mit zunehmender Massengeschwindigkeit des Fluids zu, sodass auch die Übertragungsrate der Komponente A vom Flüssigkeitskörper zur Außenfläche des Katalysators mit zunehmender Massengeschwindigkeit des Fluids zunimmt. Dies weist darauf hin, dass der Einfluss der Ausdiffusion auf den heterogenen katalytischen Reaktionsprozess umso größer ist, je niedriger die Massengeschwindigkeit des Fluids ist. Allerdings ist in den meisten Fällen die Massengeschwindigkeit des tatsächlich erzeugten Fluids relativ groß und es gibt nicht viele heterogene katalytische Reaktionsprozesse, die durch externe Diffusion gesteuert werden. Dieser Prozess ist meist eine Hochtemperaturreaktion, wie die Oxidation von NH3 und CH4 zu HCN auf dem Pt-Legierungsgitter, die Oxidation von CH3OH zu HCHO auf dem nichtporösen Ag-Katalysator, die Zersetzung von konzentriertem H2O auf dem Ag-Katalysator, und das CO und die Kohlenwasserstoffe im Autoabgasreiniger. Bei katalytischer Oxidation usw. ist der äußere Diffusionswiderstand im Allgemeinen nicht vernachlässigbar, selbst wenn er durch äußere Diffusion gesteuert wird.