环工原理资料

1、1、反应器一般主要有三种操作方式，即间歇操作、连续操作和 半间歇或半连 续操作。2、反应器设计经常用到四类基本方程：反应动力学方禾旱、连续五程、热量方 程、动量方程。3、单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量称为该组分的反应速 生，有时可用反应物浓度减少到初始浓度的1/2时所需要的时间即半衰期来表 达。4、反应器设计经常用到的基本方程主要基于质量恒宋原理、能量守恒宋律和 动量守恒定律，它们都符合输入=输出+消耗+累积”模式。5、连续操作中一物料微元从反应器入口到出口经历的时间称为停留时间：单 位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量称为空间速度，单位为时间的倒 数。6、在实际的反应器中

2、，物料的流动和混合状态十分复杂，为了便于分析和计算, 常设想存在两种极端的理想流动状态：完全混合流和平推流。7、对于恒温恒容条件下的不可逆单一反应，零级反应的半衰期 =C /2k,1/2 Ao一级反应的半衰期为t =ln2/k1/21、什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物理意义各是什么？答：（1）空间时间指反应器有效体积（V）与物料体积流量（Q）之比值。其物理意义 为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。（2）空间速度指单位反应有效体 积所能处理的物料的体积流量。空间速度表示单位时间内能处理几倍于反应器体 积的物料，反映了一个反应器的强度。2、化学催化反应的特点：催化剂本身在反应前后不发

3、生变化，催化剂能够反复利用，所以一般情况下催 化剂的用量很少。催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改变反应的产物。对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态，即不改变化学平衡关系。催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般只能催化特定的一个或一类反 应。3、西勒（Thiele）模数的物理意义是什么？具体说明西勒（Thiele）模数的大小 如何影响催化剂的有效系数？解：物理意义是最大反应速率与最大内扩散速率的比值；$值越大，内扩散阻 力越大，有效系数越小Svo.i-o.3时，ni,此时扩散的影响可忽略不计。中S5-9时，I值小于0.1,且nl/OSo此时宏观反应速率主要受扩散的 影响。1、在C

4、STR反应器中，A被转化成C,反应速率方程为-，A(molLisi)=0.15cA假定流量为100L/s, A的初始浓度。为0.10mol/L,转化率为90%。试求 所需反应器的体积。设计完成时，工程师发现该反应级数应该是。级而不是1级。速率方程应该为:-r = 0.15 mol/(L-s)试问这对反应的设计有何影响？解：(1)对于一级反应，在CSTR反应器中有c - c0.1-0.01 et = t = 60skc0.15x0.01A反应器体积V = q t = 6000LV(2)对于。级反应，在CSTR反应器中有,c c 0.1-0.01t =- = 0.60sk 0.15所需反应器体积2

5、、某反应器可将污染物A转化成无害的物质C,该反应可视为一级反应，速率 常数k为l.Oh-i,设计转化率土为99%。由于该反应器相对较细长，设计人员假 定其为平推流反应，来计算反应器参数。但是，反应器的搅拌装置动力较强，实 际的混和已满足完全混和流反应器要求。已知物料流量为 304.8m3/h,密度为 l.OOkg/L；反应条件稳定且所有的反应均发生在反应器中。按照PFR来设计，反应器体积为多少，得到的实际转化率为多少？按照CSTR来设计，反应器体积又为多少？解：(1)对于一级反应，在PFR反应器中有 血cA可得 1 -T=lnl00,即 T=4.6h所以反应器体积为V= =14031113该反

6、应器实际为CSTR反应器，则有虹=%_1CA1.4.6=气一1，计算可得 ca，= O.179caoA所以实际转化率 Xa = 82.1%（2）对于一级反应，在CSTR反应器中有ki=-lcA1-T=1OO-1计算可得t=99 h所以反应器体积V=w=30175m3 3、某气相反应2AR+S在固体催化剂存在下进行，该反应的速率方程为 -rkcCj2o已知纯A的体积流量为2.5m3/h时，在350C, 2MPa下加入装有3升 催化剂的中试管式反应器中，反应物A的转化率为70.0%o现要求设计一反应器, 在350C, 4MPa下处理体积流量为150m3/h的原料气，原料气中A和稀释剂的 体积分数分

7、别为0.70和0.30,求A的转化率为90.0%时，所需催化剂的床层体积。dxfy dxfydx q x腓： m = q J 乂_4 = q c J = q c J a=allA0 0 -r v0 A0 0 2 VO AO 0 2（1-_X）2 k c 1-xAc Ac A Ac AO A依据题中条件可得匕=4 = 0.00605，解得V =496LV m224、某一级不可逆气固相催化反应，当cA= 10-2mol/L, 0.1013MPa及400C时， 其反应速率为-rA = A=l6mol/（scm3）,如果要求催化剂内扩散对总速率基本上 不发生影响，问催化剂粒径如何确定（已知De=10-

8、3cm2/s）o解：对于一级气固相催化反应有r =kcr 10-6k = F = =0.15-1C 10-2 X10-3A要求催化剂中内扩散对总速率基本上不发生影响则有，8 n越大，本征反应速率越大，则扩散过程对反应速率影响越大，n值 V越小；De越大，扩散速率越大，则本征反应对反应速率影响越大，n值越大。分析气一液相快速反应的特点。根据气一液相拟一级快速反应的宏观速率方 程，简述提高反应速率的措施。解：特点为A与B之间的反应速率较快，反应发生在液膜内的某一区域中，在液 相主体不存在A组分，也不发生A和B之间的反应。拟一级快速反应的宏观反应速率方程r=kca$ la m tanhy其中，y =

9、6/D = Jkc D /kL、 BL LA BL LA LA提局反应速率的措施：提高Hatta （八田）数Y ：可以通过提高B在液相主体的浓度A在 液相中的扩散系数Dlao提高CAi：加大气相中A的分压提高a：改善传质，即提高A在液相中的扩散系数DT减少液膜厚度i3.2在气固相催化反应本征动力学实验中，向一连续反应器内装入质量为凹的催 化剂（填充层高外），保持温度、压力、进口物料组成不变，改变反应物A的进 料摩尔流速A0,测定相应的反应率得到么m/%AO曲线。在同一反应器内 装入质量为”2 （填充层高度为叫）的催化剂，在同样的温度、压力和进口物料组 成的条件下得到另一条xm/ qnAQ曲线（

10、见图1）。简要回答以下问题：（1）说明如何利用该实验结果，确定消除外扩散影响的物料流速条件，并说明 理由。（2）和叫的大小关系如何，为什么？（3）该实验较宜使用积分反应器还是微分反应器？为什么？解：（1）两条曲线重合部分的实验条件，说明两种情况下尽管有线速度的差别， 但不影响反应速率，在这种实验条件下，即可以认为消除外扩散的影响对于不同填充高度当m/0nAO相同时，即0nA（/m相同，即单位质量催化剂处理 物料相同，不同的只是7?增加，则有幻一一inAof一0vof一线速度7。所以当两 线重合时，说明线速度f不影响反应速度，即外扩散影响已经消除。（2）若外扩散未消除，幻一一0nAof一知。7一

11、线速度7一外扩散7一反应速度 7一7，所以幻一线速度L所以hih2（3）宜采用积分反应器，因为此实验的关键是比较不同/I时的转化率,而微 分反应器要求在5%以内（入口处x=Q）,在x.l,平推流反应器的反应效率高于相同体积的全混流反应器。原因为 全混流反应器具有混匀作用，物料进入反应器后被稀释，浓度降低，反应效率降 低，故”匕。根据平推流反应器设计方程可得-m（i-。.6） = k；k 一mo =0.61k im (1)/T0.4根据全混流反应器设计方程有0 4 =二一所以,1+k TmE由1 nk = Ink 有0 RT TOC o 1-5 h z i k 84x103 z 11、In -p

12、-=()k 8.32 T 150 + 273.15mm计算可得 rm=432K, rm=158.9C 升高 8.9C（4）由（3）可得m( io.6)= * p由2级全混流反应器可得0 4 =（l + f2）2m所以 k -In 0.4/T 寿八 =u. /yGi1-1)/(L) TOC o 1-5 h z Y 0.42k 8.32 T 423.15mm升高4.3C计算可得T =427.4K, t =154.3 Cmm3.9对于二级不可逆液相反应ocAA+oIbB一P,试分别给出利用间歇反应器、半间歇 反应器（B 一次性加入，A连续加入）和连续反应器进行反应操作情况下，A和 B的转化率的定义式

13、。（10分）解：（1）在间歇反应器中，A转化率为X =l-n /nB转化率为x=l-nnB0（2）在半间歇反应器中，A转化率为 马A n + q t TOC o 1-5 h z AO心0B转化率 x =l-n /nDD DU（3）在连续反应器中，A转化率为x=-q /qZ1JL JL 1/1/ IB转化率为x=-qBlqnB03.10某研究单位拟利用以粒状活性炭为载体的二氧化钛催化剂进行水中低浓度 有机污染物A的分解研究。已知A的分解反应为不可逆反应，现需要确定该反应 的本征速率方程（一七=丘/）。请你为该研究单位设计一个系统的、可操作性强 的实验方案（利用间歇反应器）o （20分）解：（1）

14、测定消除外扩散影响的实验条件在一反应器内装入质量为凹的催化剂，此时的填充层高度为外，在保持相同 温度T、压力P、进口物料组成的条件下，改变进料流量A0，测定相应的转化 率;在同一反应器内装入质量为”2的催化剂，此时的填充层高度为。2,在同样的 温度、压力、进口物料组成的条件下测定不同ao时的;做xA-m/qnAQ曲线,求两曲线重合处的进料流量爵和流速。测定消除内扩散影响的实验条件保持温度、压力、进口物料组成不变，选取进料流量qnt和催化剂填装量H1, 改变催化剂粒径d，测定相应的转化率与；做%dp曲线，曲线中不随变化而变化的区域，则为无内扩散阻力的粒 径条件。笠取该区域的催化剂，粒卷为dpt测

15、量本征速率方程P在相同反应器中，保持温度、压力、进口物料组成不变，选取催化剂粒径为4广 进料流量为Ivt，则可消除内外扩散的影响。改变进料浓度Cao,测定出口浓度 根据积分法或微分法计算本征速率方程。3.11对于一级不可逆液相反应A P,利用有效体积为1H13的完全混合流连续反 应器进行动力学实验。将A的浓度为60mmol/m3的液体以0.1m3/h速度流入反应 器，在20C条件下，A的转化率达为80%,试回答以下问题。(共25分)在同样的反应物料流量和温度条件下，利用2个有效体积为0.5m3的完全混 合流连续反应器进行串联操作，试计算A的转化率？在同样的反应物料流量和温度条件下，利用5个有效

16、体积为0.2m3的完全混 合流连续反应器进行串联操作，试计算A的转化率？在同样的反应物料流量和温度条件下，利用有效体积为1H13的理想平推流 反应器进行反应操作，试计算A的转化率？在同样的温度条件下，利用间歇反应器进行反应操作，要使A的去除率达 到80%,反应时间应为多少？根据以上计算结果，讨论反应器操作方式对转化率的影响并简要解释其原 因。解：对于一级不可逆液相反应，完全混合流连续反应器体积为1H13,则有T= = 10/1V。.1反应器出口反应物A浓度C =C /(I + kx) = c (1-X )A AOAO A则一级反应速率常数k=0.4h-i(1)2个完全混合流连续反应器串联，单个

17、反应器的空间时间反应器出口反应物A浓度c c +）2 = 60/（1 + 0.4 5）2 = 6.67mmol/m3A AO1转化率=88.9%（2） 5个完全混合流连续反应器串联，单个反应器的空间时间反应器出口 反应物 A 浓度 c = c !（l + h ）5 = 60/（1 + 0.4 -2）5 =3.1 Smmol/m3A AO*5转化率 X =94.7%（3）采用平推流反应器进行反应操作，反应器的停留时间c = _L = J_ = io白0V 反应器出口反应物 A 浓度 c - c - e- = 60 - e-ioxo.4 - 1 AOmmol /m3 A A0转化率 X =98.2%（4）采用间歇反应器进行反应操作，有一m（i-Xa）= k0.4反应器出口反应物 A 浓度 c - c - e- - 60 - e-ioxo.4 - 1 AQmmol /m3A A0转化率 XA=98.2%（5）反应器操作方式对转化率的影响对于完全混