复杂气固催化过程之烷氧基硅烷的直接合成（续 4）

10. 气固反应器中的气体的运动

醇-硅过程是一个复杂的化学吸附过程，不能只考虑反应（4.1）的行为。 扩散和吸附是过程，需要一定的时间，才能使原料气均匀扩散到整个空间中的每一颗粒的表面。 在这一段说起来很短的时间里会发生许多事情。

扩散从宏观向微观过渡。假定反应器是一个固定床（不带搅拌器），容积足够大，硅粉料层足够厚， 原料气经导气管进入反应器时，醇气体离开导气管时有一个初始流速。 在动量的推动下，气体在固体层中运动。这种运动受到固体的阻挡，速度逐渐降低，最后失去“流”的能力。 气体在固体层中的运动又服从扩散定律，从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，最后透过气体滞留膜向颗粒表面扩散并被吸附。 假如给予的是一个长度足够短的气体脉冲。 可以想象，气体在料层中的扩散过程不是一开始就形成栓塞状的分配形式，而是树的形状。 “树”渐渐变得形影模糊并最后消失。逐渐弥漫扩散到整个反应器，达到平衡。 在扩散和吸附过程中，被吸附的气体在活性中心处发生化学反应，产物解吸向上运动。 一个气体脉冲在反应器内占据一段空间，成为一个栓塞，向上移动。在整个反应器内， 原料气的分布规律大体是从下部向上浓度逐渐降低，产物浓度则解吸向上流动形成相反的浓度梯度。 如果这棵树的树顶冲破了固体料层的顶界面，则部分原料气会直接进入产物流中。 当气源压力很高时，气流初速度很高，形成固体流态化现象，直接流向产物的原料气更多。

假如流动是理想的，甲醇和产物在硅粉固定床中的运动是等速的，气体在固体层中的运动路径可以描述如图 10.1。

图 10.1 气体在固定床中的理想运动路径

假定在 t₀时刻有 3 个可编号甲醇分子离开导气管进入床层中开始扩散。分别在三个不同时间被吸附住。 又分别停了时间t_吸附和经过了一段时间 t_反应 反应都变成了 B₂ ， 再经过了一段时间t_解吸后被解吸进入气体物流以同样的速度上升，同时在位置 C 相遇。 即同一时刻离开导气管的分子不管它们在什么位置上被吸附，最终聚集在同一高度位置上。 前面已经说过，扩散，吸附，反应，解吸，这些时间是些统计量，对每个分子不是完全相等的，那么相遇的位置可能有误差，这个误差是个微观量。 容易推理，一个时长 dt 的甲醇脉冲产生的产物经过一个吸附周期之后在反应器的顶端形成一个 dl 长的产物栓塞。

假如在 t₁ 时刻有第 4 号第 5 号等甲醇分子从导气管口流出，也将出现同一情形， 相对于第 1,2,3 号分子有一个时间差 t₁-t₀。 可以推断，若 t₁-t₀小于扩散周期，则前期被吸附的分子还没有完成化学吸附周期，还呆在原处。 第 4 号第 5 号等甲醇分子最终会遇上 t₀ 时刻进入硅粉层被吸附住的甲醇分子， 或其所产生的产物并发生继发反应步骤。后一时刻的气体大部分会沿着前一时刻的气体的路径更快地前进。 先是越过那些先已被吸附留下来的气体，然后冲到最前面形成新支流。 直到先前被吸附留下的气体完成化学吸附过程进入气体流中， 气流不再是单纯的原料气流，而是原料气与产物气的混合流了。这时便发生了原料气与产物的混合。 一部分原料气需要去补充已经反应解吸的空位，气体分子队列发生了紊乱。 因此，在固定床层中有吸附的流动不是平推流，而是蠕动。

相对而言，扩散比较慢而吸附和化学反应比较快。而宏观扩散过程在尺度上比较大，不是一个小量。 一个长度为 t₁-t₀ 的原料气脉冲，其内部，产物与原料气会发生混合。 逐渐向上运动到反应器的顶部形成一个具有一定厚度的栓塞。 t₁-t₀ 越小，栓塞厚度越簿。如果这个脉冲长度达到或超过吸附周期的长度。 则一个栓塞与另一个栓塞会有重叠，原料与产物的混合率会比较高。