反应工程习题答案

1、（1）优学动力学控制2）外扩散揑制内外扩敬均不陡忽略CBeCBcH=fCBsCBGCBeCBcCSsCG（2）以产物A的浓度为纵座标61、在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应AB。试以产物B的浓度CB为纵座标，径向距离r为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B的浓度分布示意图。（1）化学动力学控制（2）外扩散控制（3）内、外扩散的影响均不能忽略图中要示出CBG，Cbs及CBe的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B的浓度，CB是B的平衡浓度。如以产物A的浓度CA为Be纵座标，情况又是如何？解（1）以产物B的浓度为纵座标CB4-cb|ICB|I八|6.3某催化剂，其

2、真密度为360g/cm3,颗粒密度为165g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径.解:由p=p（1，8）,得w=0.542ptpp由=2s/Sp,得=656Aaprpa由v=s/p=0.542/1.65=0.328cm3/g催化剂6.13在l5oC,用半径100pm的镍催化剂进行气相苯加氢反应，由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级（对苯）反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数kp=5min-1,苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为02cm2/s,试问:在01Mpa下，要使n=08,催化剂颗粒的最大直径是多少？改在202Mpa下操作,并假定苯

3、的有效扩散系数与压力成反比,重复上问的计算改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6cm2/s而反应速率常数保持不变，要使n=o8,求催化剂颗粒的最大直径.解:k，01076p(1)，気D由660)式r1*tanh(3)3丿用试差法从上二式可解得当n=08时，需dp=2Vg/Sg=583X10-8cm,此8值.与51706接,近,故可近似扩散是以奴森扩散为主=970058.310，8(530+273)/58=2.10410亠cm2/sDe=Ds/t=2.6x10-3cm2/skpm=1.736&=0.5/094x12e=62.6x10-3式算得n在固定床反应器中等温进行一级

4、不可逆反应床内填充直径为的球形催化剂反应组分在其中的扩散系数为在操作温度下反应式速率常数等于有人建议改有的球形催化剂以提高产量你认为采用此建议能否增产?增产幅度有多大?假定催化剂的物理性质及化学性质均不随颗粒大小而改变并且改换粒度后仍保持同一温度操作解Idkd=0.6cm，Q=6pJ=0.02887弭=0.9995,d=03cm，Q=001444,耳=0.9998故采用此建议产量的增加是很有限的，增产量为算.算算算37.3由直径为3的的的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应基于催化剂颗粒体积计算的反应速率常数为有效扩散系数为当床层高度为时可达到所要求的转化率为了减小床层的压

5、力降,改用直径为6的的的球形催化剂,其余条件均不变,流体在床层中流动均为层流试计算催化剂床层高度;床层压力降减小的百分率.解(1)求dp为6mm的床层高度L2,已知数据:dp=3mm=03cm，dp2=06cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013cm2/sLV1r1LV2r2i0L0392220.013求得耳0.9212F,xAf-1dxAoo耳RA,LrJAFJxAfdxAo0耳RA2A10.3_1PX13De3求得耳0.7562:.LL22(2)求床层压力降减小的百分率:Lpu2(1-)Apf,Apfd32p1假定床层的空隙率不变,则有：ApfLd11p2ApfLd22p1层

6、流流动时：f150150XRe1-卩dupp0X蠶X22-43mLpu2(1_)20d3p2L二d/dfp2p12(1),(2)式联立:(d丫pd“dp1”AnLdd1p2p2ApLddL2p1p12床层压力降减少的百分率为: HYPERLINK l bookmark34纠-Ap23.225-10.689968.99%Ap3.2250.6/2丫3.2252.43“0.3/2”76在绝热催化反应器中进行二氧化硫氧化反应，入口温度为420C,入口气体中SO2浓度为7%(mol);出口温度为590C,出口气体中SO2含量为21%(mol),在催化剂床层内A,B,C三点进行测定.测得A点的温度为620

7、C,你认为正确吗?为什么？测得B点的转化率为80%,你认为正确吗?为什么？测得C点的转化率为50%,经再三检验结果正确无误，估计一下C点的温度.解(1)绝热床内的温度是呈线性上升的,出口处温度最高,床内任一点温度不可能高于出口温度，故620C是不可能的.出口处SO2的转化率为(007-0021)X100%/0.07=70%床层内部任一点处转化率不可能高于70%,故转化率为80%是不可能的.t=AXA,590-420=入X入图和图分别为两个化学反应的图图中为平衡曲线为最佳温度曲线为等温线为绝热线为非绝热变温操作线为等转化率线0*501.00试比较这两个图的差异并说明1采用固定他应器进行图所示反应

8、分别按要求最终转化率达到试，匕较这三种操作所需催化剂量的大小说明原因对图对于和解:(1):和操作线操作0.50所示的反应目重复的比较的比较结果你认为是普遍规律呢还是个别情况图升高平衡转化率减小有最佳温度曲线绝热操作线斜率为正非绝热变温操作线有热点造成以上差异的根本原因是:图是可逆吸热反应的关系(2因)是可逆放热反应,操作线接近看在转化率从到这一范围内催化剂最少绝热操作线居中非绝图升高平衡转化率增大无最佳温度曲线绝热操作线斜率为负非绝热变温操作线有”冷点”是可逆放热反应的关系而图线的程度越大,催化剂用量越小,从图线最接近曲线所以等温操作所需耳变温操作线催化剂用量最大(3)对图7D,是吸热反应,反

9、应温度高则催化剂用量小，从图7.D看,GK线的操作温度最高,催化剂用最最小,绝热操作居中,等温操作温度最低,因而催化剂用量最大等温操作线的位置(即等温操作所维持的温度)对(2),(3)的比较结果有很大影响，例如图7.C的等温操作线MA左移(即降低等温操作的操作温度)，它与TOP曲线的接近程度就会发生变化，与GD线和DK线相比，在转化率0到50%范围内,MA线不一定最接近TOP线，因而不一定是等温操作所需催化剂用量最小对图7D,如果等温操作线MA右移，即提高等温操作的温度，可使MA,GD和GK各线的操作温度的高低顺序发生变化.另外,如果最终转化率不是50%,例如是70%,对图7.C,在反应后期(

10、即转化率接近70%的部分)最接近TOp线的是GD线,绝热操作的催化剂用量最小(反应后期接近TOp线的程度对催化剂用量大小起关键作用.所以说,(2),(3)比较结果,并非普遍规律.7.15常压下用直径为6mm的球形氧化铝为催化剂进行乙腈合成反应,操作条件与习题7.10同,此时内扩散影响不能忽略,而外扩散影响可不计,氧化铝的物理性质如下:孔容045cm3/g,颗粒密度1.1g/cm3,比表面积180m2/g，曲节因子等于3.2.试计算第一段的催化剂用量.解:rA-反应速率,kmol/m3粒子hpb-颗粒密度,kg/m3粒子rA=pbX308X104exp(-7960/T)(1-XA)kmol/hm

11、3粒子，而rA=kpCA=kpCA0(1-XA)T0/T,kp是以颗粒体积计的反应速率常数,因此,P(1x)x3.08X104exp(7960/T)AC(1，x)T/TA0A0(1，X)P40T)4RTT0P竺X3.08X104exp(7960/T)h，1pp401100kg/M3y401+22+1p101325PatP(1x)x3.08x104exp(7960/T)p4R8.314x103Pa-m3/kmol-K代入数据得:k1100p8.314X103X3.08X104exp(7960/T)s，1BiX101325化简之k1167x107Texp(7960/T)h-13242x103Tex

12、p(7960/T)s-1题给:Vg=0.45cm3/gSg=180m2/g=180X104cm2/g平均孔径=2V/S=2X0.45/180X104=5X10-7cmgg常压下气体分子运动的平均自由程近似等于10-5cm,因此，入/2=10-5/(2X5X10-7)=10，可见以努森扩散为主,乙炔分子量为26,故：D=97005xlXjTTIS=951110，Tcm2/ss=Vp=04511二0.495t=32pgpms0495De=-pD=32951110，T=147110，Tcm2/smR咗=033242I。3T呵(，3980/T)=469.5T“exp-3980/T)3De3147110

13、-4T1/4由710题解知，第一段绝热热线方程是T=7704+1715xA=469.5(7704/4exp(-3980/770.4)=14.11进口处出口处=4695(7704+171.50.3067)exp-3980/(7704+171.50.3067)=19.96TOC o 1-5 h z可见，第一段床层各处内扩散影响严重，因此有n(P第一段催化剂用量：w=FJ03067丄dx=FJ0.3067Ldx1A00耳rAA001A0ArA104exp(-7960/T)(1-x)XAFf0.30=74695Ti/4exp(-3980/T)A003.08_f0.30670.0152T1/4exp(3

14、980/T)水0(1-x)dAAw=Ff0.3067f(x)dx1A00AA令(x)=o0卩；4呵980/t)则A(1-x丿A计算得至UXA与f(XA)的一系歹U数值如下：XA00.050100150200250300.3067T(K)770.4779787.679680478133821.9823F(XJhkg/kmol14.0313.9914.0114.1014.2314.4414.7414.79图解积分求得:f0.3067f(x)dx=4.311hkg/kmol0AA(710)题已算出FA0=22.09kmol/h,因此有：w1=22.09X4311=9523Kg7110在氧化铝催化剂上

15、进行乙腈的合成反应:CH+NHCHCN+H“H=-92.2kJ/mol设原料气的摩尔比为C2h2：NH3：H2=1:22:1,采用三段绝热式反应器，段间间接冷却,使每段出口温度均为550C,而每段入口温度亦相同，已知反应速率式可近似地表示为:r，k(1-x)kmolCH/kghk，3.08x104exp(7960/T)AA22式中Xa为乙炔的转化率，液体的平均热容为J=1288/K，如要求乙炔转化率达到92%,并且日产乙腈20吨,问需催化剂量多少?20 x1020 x103解:以A表示乙炔，F，22.09kmol/h4024xMx0.9224x41x0.92乙腈C在热衡算中忽略反应过程总摩尔数

16、的变化，并把各段的Cp视为相等，对每段均有：(-AH)j人r40AXCApFCAT=(-AH)FAx(AH)F(AH)F则有：AT=r40Ax=r40AFC4CF4tppt0-AH，922kJ/mol，9.22x104J/molrAT，19.22x104Ax，1715Ax1+2.2+112844依题意，各段进出口温度相等即各段AT相等，所以各段转化率差AXa亦相等，因此有：Xa=1/3X0.92=0.3067A各段AT为：T=1715AXa=1715X0.3067=5259K因而各段进口温度=823-52.59=7704K各段进出口温度和转化率如下表所列：段数进口出口T(K)XAT(K)XA一

17、-770.408230.3067二二770.40.306782306134三770.406134823092第一段T=770.4+1715AXAk=308X104exp(-7960/T)Xa00.050100150200250300.3067T770.4779787.679680478133821.9823k1.0031.1241.2571401.5581.7291.9151.9411/k(1-Xa)0.9970.93650.88390840.8032077110745907431w,fJ0.3067dx，22.09J0.3067(1_)dx1400r40k(1-x丿444图解积分求得:J03

18、067dx4，0.25760k(1x)4因此那产22.09X0.2576=5690Kg第二段,T=770.4+1715(Xa-0.3067)Xa030670350400450500550600.613T770.4777878687949803.68121820.7823k1.0031.1071.2381.3781.5371.7051.8591.9411/k(1-XA)1.4381.3891.2471.3181.31010.3031.3231.333,0.61341dx0.42120.3067k(1一x)AA故有:w2=22.09X0.4212=9304Kg2第三段,T=7704+1715(Xa-0.6134),O.920.6134dxk(1-x)AA1.04w3=22.09X1.04=22.96Kg催化剂总重量=5.69+9.304+22.96=37.95KgXA0.60340650700750.800.85090092T770.4776.7785.2793.8802.4810.9819.5823k1.0031.0911.2191.3601.5141.6801.8651.9411/k(1-XA)2.5792.6192.7352.9413.3033.9685.3626.4408.2用1.2M的氨水吸收某生产装置出口气中的二氧化喘，当气流主体中二氧化碳分压为