反应过程与设备例题与习题(第四章)

第四章固定床反应器【习题4-1】若气体通过固定床的线速度按空床计算时为0.2m/s，则真正的线速度应为多少？已知所充填的固体颗粒的堆积密度为1.2g/cm3,颗粒密度为1.8g/cm3。【习题4-2】在一总长为4m的填充床中，反应气体以2500kg/(m2•hr)的质量速度通过，床层中球形粒子的直径dp=3mm,床层空隙度£B=0.45,气体的粘度|Jg=1.80X10-5Pa・s,气体密度p=12.5kg/m3，求床层压力降？【习题4-3】在由直径为3mm的多孔球型催化剂组成的等温固定床中进行一级不可逆反应，反应速度常数为0.8/sec,有效扩散系数为0.0013cm2/sec。当床层高度为2米时，可达到所要求的转化率，为降低压降，改用直径6mm为的球型催化剂，k、De均不变，v其它操作条件也不变，试计算：(1)催化剂的床层高度；(2)床层压力降减小的百分率。【习题4-4】用异丙基苯为原料进行催化裂化反应，设反应为一级反应，T=783K时，测得反应速度常数为k=0.716cm3/(g•s),催化剂为球型硅酸铝，dp=0.43cm,颗粒密度为1.14g/cm3,De=1.2X10-3cm2/s,求耳内=?【习题4-5】一工业固定床绝热反应器，用新鲜催化剂操作时，反应器进出口的气体温度分别为400°C及420°C。经过一段时间的操作，催化剂活性下降，为维持原来的转化率水平，将进料温度提高到440C，出口气体温度相应的变为460°C，如反应活化能为25000cal/mol,试估计催化剂活性下降的百分率。【习题4-6】在常压下，在氧化铬/氧化铝催化剂上，丁烷脱氢反应为一级反应。拟在装有直径为4mm的球形催化剂的固定床反应器中，将100kg/hr丁烷脱氢以生产丁烯，反应在530C等温进行，催化剂的平均孔径为100A，孔容为0.34cm3/g，颗粒密度为1.2g/cm3,曲率因子取2.8,530C时反应速率常数为0.94cm3/(g•sec)。求丁烷转化率达到28％所需催化剂的量。【习题4-7】乙炔与氯化氢在氯化汞E活性碳催化剂上合成氯乙烯:C2H2+HClfC2H3C1,测得在1atm(绝)，175°C及进料摩尔比为HCl/C2H2=1.1/1,数据如下x00.20.40.60.80.920.99A

rAX103mol/s.g催化剂5.734.924.173.061.750.3890.0835今在固定床中要求达到99%的转化率，而且生产能力为1000kg/hr，设床内等温，并且为平推流式，催化剂堆积密度为0.40g/cm3，求所需催化剂体积。【习题4-8】以硅酸铝为催化剂，在常压和773K下进行轻油催化裂化，这是一个吸热反应(△H)=-167400J/mol,已知催化剂的入=36X10-4J/(cm・s・K),D^=8.0X10-4cm2/s,eeff求Tmax=?【习题4-9】一级不可逆气相反应A-B，在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行，温度为400°C等温，测得在反应物浓度为0.05kmol/m3时，其反应速率为2.5kmol/(m3•min),该温度下以单位体积床层计的本征速率常数kv=50s-1，A的有效扩散系数为0.03cm2/s,试求：(1)反应条件下的内扩散有效因子。(2)反应器中所装催化剂颗粒的半径。【习题4-10】在内径为7.5cm的固定床反应器中，进行丁烯脱氢制丁二烯的反应：C4H8-^C4H6+H2+26360ca〃mol丁烯与水蒸汽以1:10(mol比)的比例混合均匀预热至650C后，进入反应器，流量为5kmol/h。由于该反应为吸热反应，反应管外以800C的等温热源供热，载热体与反应物间的传热系数为50kcal/(m2•h・C)。假设反应体系在1atm下等压进行，反应物料的热容可视为常数，等于0.5kcal/(kmol・C)。在高温下丁烯裂解反应产物，除丁二烯及氢外，还有其它产物，对丁烯而言按一级不可拟反应计算。反应速率常数与温度的关系为：k=1.874X1015exp[-60000/(R・T)]单位是kmol/(m3•h•atm),试计算丁烯的转化率达到40%时所需的管长。【习题4-11】简要叙述固定床的特点(优、缺点)。【习题4-12】固定床的混合扩散包括哪几方面？主要是什么？【习题4-13】固定床的传质包括哪几方面？【习题4-14】固定床的传热问题包括哪几方面？主要是什么？【习题4-15】若有一固定床反应器所用的球形催化剂的有效系数n远小于1,欲增大n值可采取什么措施？(由n的计算公式及①的计算公式分析)【习题4-16】简述固床设计中的拟均相模型假定条件。【习题4-17】在一多孔球形催化剂颗粒上发生一级不可逆反应AfR,证明当总反应过程完全受内扩散控制时，催化剂有效系数和粒径有如下关系：n1/n2=(dp2)/(dp1)【习题4-18】在一多孔催化剂上发生等温一级不可逆反应AfB。若催化剂颗粒内、外传质阻力都不能忽略，试求表观反应速度常数与本征反应速度常数及外传质系数的关系。【习题4-19】乙苯与水蒸汽的混合气通过一列管式反应器中的催化剂床层进行脱氢，其动力学方程如下：r=k(P—PP/K)kmol/(h•kg催化剂)EES下标E、S及H分别表示乙苯、苯乙烯及氢，各分压的单位为bar(巴)，反应速度常数k及平衡常数K与温度的关系分别为k=12600exp(-11000/T)K=0.027exp[0.021(T-773)]T的单位为绝对温度K反应管的内径2R=10cm，进料为600°C下的乙苯0.069kmol/h及0.69kmol/h的水蒸汽,总的质量速度为2500kg/(h・m2)。管外用烟道气供热，其量为W=130kg/h,与管内料逆向流动，并在620C离去，另外，已知：催化剂堆积密度(pB)=1440kg/m3B操作压力(P)=1.2bar乙苯反应热(△巴二140000kJ/(kg・K)床层有效导热系数(入er)=0.45W/(m・K)烟道气比热(Cp')=1.0kJ/(kg・K)混合扩散系数与线速度之比(Der/u)=0.00047m反应混合物的比热(Cp)=2.18kJ/(kg・K)试计算乙苯达到45％转化率时所需反应管的长度。第四章固定床反应器习题答案习题4-1u=0.6m/s习题4-2△P=77.79kg/m2习题4-3(1)L2=3.37m(2)R很大时减小16％，R很小时减小58％emem习题4-4n=0.44习题4-5活性下降64％习题4-6W=0.356/CA0gCA0:mol/cm3习题4-7V=10.3m3习题4-8△T=-0.584Kmax习题4-9n=0.1667R=4.1mm习题4-10见计算软件习题4-11略习题4-12①分子扩散；②紊流引起的扩散；③固体迫使流体流向发生变化(主要原因)。习题4-13内扩散、外扩散、混合扩散。习题4-14①粒内的传热问题；②粒子与流体之间的传热和温度场；③床层与换热器壁传热习题4-15减小催化剂粒径。习题4-16拟