化工数学规范标准答案内容

化工数学各章习题选解

(仅供参考)

第一章习题

1.(V)在一个有效容积为V的半连续式搅拌反应器中，由原料A生产物质B,若浓度

为co流量为。的A溶液加入空反应器，反应遵循以下连串-可逆步骤

且所有的反应均为一级，证明在反应器中B的克分子数M是以下微分方程的解

d2NdN…「

——卢R+Pn—里R+RNR=C

dt1dtB

式中

P=左］+k-y+43

R=k网

C—Qc^kx

证明：对A、B分别作质量衡算，有

dN

A：cQ-kN+kN=-^-(1)

()lA2Bat

dN

B：^-kN-k.N=­f-⑵

A2BBat

由(2)得到：

4NA=C°Q+&N厂今(3)

at

(3)代入(2),得：

WoQ-=(勺+%2+自)学+华(4)

atat

令P=4+的+&,R=卜网,C-c0Q

得+P皿+RNB=C(5)

dtdt

证毕。

2.冬天的池塘水面上结了一层厚度为/的冰层，冰层上方与温度为7；的空气接触，下方

与温度为0℃的池水接触。当时:水的热量将通过冰层向空气中散发，散发的热量转

化为冰层增加的厚度。已知水结冰的相变潜热为及,冰的密度为P,导热系数为k,导温系数

为a,求：

1)当气温Tw不随时间变化时，给出冰层厚度随时间变化的关系，若Lf=3.35Xl()5j/kg,

3

P=913kg/m,k=2.22W/m°K,7；v=-10℃,问冰冻三尺，需几日之寒？

2)当气温随时间变化时，设7w=Tw⑴已知，导出冰层厚度变化的完整数学模型。

解：

(1)冰层的温度为0℃,水通过冰层向空气散发热量，记为。，该热量用于水结成冰。假设冰

层面积为s,厚度为/根据导热方程，可得：

Q=k(Tw-^-dt=LfPsdl

5

代入数值，Lf=3.35X10J/kg,P=913kg/m\k=2.22W/m°K,几=-10℃,l=\m,

求解积分上式得：

22.2

913x3.35x1()5

1=79.7天七80天

若冰冻三尺，在。=一10℃时，需要约80天。

(2)若Tw=Tw(t)，冰层厚度为/

根据热量守恒：

Q=k(T、,_0).dt=Lfpsdl

I

Lfpldl=kTwdt

两边积分：

[Lfpldl=[kTKdt

2

0.5Lfpl=k^Twdt

厚度变化与T7的关系为：

3.(J)在一个半分批式搅拌反应器中进行着一级放热化学反应，反应速率常数由

Arrhenius关系式给出，反应热由釜内的冷却盘管移出，请自行设定有关的参数，导出该反应器

的数学模型。

解：设物料以恒定的体积流量F加入，则反应器中反应物浓度CA与温度T由以下物料衡

算与热量衡算方程给出

①物料衡算方程

FC+Vr,=W-G-)

0at

rA=~kCA

(1)

V=V0+Ft

E

k=kexp(--)

aKI

②能量衡算方程

d(CoTV)

FpCJo-K(T—Z)A+AgVJM，)=-—(2)

①②合并，得数学模型为

华2+巾G"C°

V=V0+Ft⑶

E

k=kqexp(——)

Ki

cA(0)=0,T(0)="

式中K(T-T^A为冷却移热，上。叭2町为反应热。

4.(V)采用微元分析法推导出柱坐标系中的不定常热传导方程.

解：考虑柱坐标系中热传导方程的形式。柱坐标系下的三个空间变量：向径「，经度角。,

高度z。在这三个方向上，与自变量的微分变化所对应的线段微元长度分别是

dr-{dr,rdO,dz)(4)

由偏导数的定义，温度梯度VT在三个方向的分量即温度在每个方向上的微元增量除以相应的

线元长度，即

于是Fourier热传导定律在柱坐标系中的分量形式为

(X,,STdTST

(%，%，/)=/(»，海，赤)⑹

接着考虑各方向输入和输出的微元通量，首先考虑一方向

输入项：一人里(rd6)(dz)(7)

dr

输出项:-Z—(rd0)(dz)-k—(r@~)dvdOdz(8)

drdrdr

于是r方向的净输入通量为：k—（r-）drdOdz(9)

drdr

对昉向作同样的分析，

输入项：—k——(")(dz)(10)

rd3

CrT_*OOTT,

输出项:—403z)—人工(4)drda/z(11)

rd。rd656

净输入通量：k—(—)drd0dz(12)

rdddO

输入项:-攵巴(rd。)(公)(13)

dz

z方向的分析，输出项:-火—(rdB)(dr)-k—(r—)drd0dz(14)

dzdzdz

净输入通量：k—(r—)drdOdz(15)

dzdz

微元体内的积累项：pCp^-dr(rd0)dz(16)

将三个方向输入微元的热流净增量加和并令其等于积累项，就得到

dT/。1d2T32T

——=a[----(r——)+f—+―](17)

dtrdrdrr1d0~?dz72

5.风吹过皮肤表面时，人会有干燥凉爽的感觉，这是因为风的吹拂强化皮肤表面的对流

传热与传质，形成一个速度，温度，浓度（含水量）的边界层，设流动为层流（微风），考虑

出汗的蒸发潜热，求：

1）列出皮肤表面的三传问题的边界层方程，根据实际情况适当简化并给出问题的边界

条件；

2）将上述问题无量纲化，并解释所得到的各无量纲参数的物理意义；

3）试分析速度分布，温度分布，含水量分布分别与哪些无量纲参数有关，并用简单的

函数关系示意；

4）根据所得结果定性的解释一些经验常识：为什么风越大越感觉到冷？为什么出汗后

擦了汗感觉更凉快？当空气中湿度变化时，对表面散热会带来哪些影响？在冬天和夏天，人体

对空气湿度的增加会有什么样的感觉？

解：

1）同时考虑流动传热传质时的边界层传递方程是

M畔+u号）=-+//+pgxP（J-Tx）+pgx<^（C-Cx）

oxdydxdy

„,dToTx_d2Tdu

g,（〃/-+。工-）—!<—■+〃「）2+口国

dxdydy'dy

/djdc、d2c.

p（u―-+u--i）=pV>.-7-

dxdy'dy2

g,表示重力在x方向的分量，£为热膨胀系数，J为密度变化系数

□W水汽化潜热天水蒸发速度

由于本可忽略，g'=0，（2）2可忽略,

dxxdy

化简后

/dudud2u

—)x=〃

力

c,dT5T.32T

菽+"&）i声短如

「（”—加普

H2

dxdy产,dy

边界条件

y=0,u=0（皮肤表面气流速度）T=T（）（皮肤表面温度）c=<（皮肤表面的含水量）

y=61u=u8（速度边界层外气流速度）

y=82T=T8（温度边界层外气流温度）

y=§3C=C8（浓度边界层外气流中含水量浓度）

61,82）口分别为速度边界层，温度边界层，浓度边界层的厚度。

2）无量纲化

北-"

无量纲物理性质的比值

Ar=—=1

A7=W=Pr

a

A=—=Sc

口

无量纲化后

口小口畤寸鬻

an_snTk32n

r1+西

nw+n7.p--=--------------r-

7讨

dxaypCp7；Ar

2

sn.口ancDjanc

n(,u+n,。一―---好

61c8Agdy-

边界条件

=o,n=o

在y

y=8,n=1

对于较大的Pr或Sc,热传导与扩散效应与黏性比较相对较弱，热边界层和扩散边界层位于速

度边界层内部，反之，对于较小的Pr或Sc,热传导与扩散速率大于黏性传递速率，热和扩散

边界层就有可能扩展到速度边界层之外。

3）速度分布，温度分布，含水量分布的简单函数关系式

-^=n„（n„<i）

%

U

。=1（口々1）

%

L=i+（^,i）nr（nr<i）

3=1（口々1）

丁。

CoCo

4）风越大，皮肤表面的气体更新速度越快，水的蒸发速度变快，传热越快，感觉到冷

出汗后感觉更凉快，是因为减小了汗水层的厚度，蒸发速度加快

当空气中湿度变大时，皮肤表面水的蒸发速度变慢，不利于传热

夏天空气湿度增加，汗水蒸发困难，人感觉闷热

冬天空气湿度增加，少量的汗水在皮肤表面使人感觉温暖。

6.（V）在管式反应器模型（1.4.15）中，当Pe-0时，相当于完全返混的情况。试从方

程（4.15）出发，通过适当的体积积分和取极限PefO,导出均相釜式反应器模型.

解：当Pef0时，由原方程（4.15）及边界条件可知，『const,说明在完全返混的情况下，反

应器内具有均匀的浓度。对于任意的Peclet数，对方程4.15进行体积积分

得到(31)

巫="成+，时

50Pedz(}

式中c为反应器内的平均浓度。

将边界条件（4.15）代入（31）,得到

—=-Dac-c\,+1

ddk=,(32)

。二0,c(0)=0

上式对任意Peclet数均成立，仅当Pef0时，反应器内浓度均匀，c=cl,,上式成为无量

lz=l

纲的理想混合釜式反应器数学模型。

7.(V)烯嫌在Zieglar-Natta催化剂颗粒上的气相聚合过程可用最简单的固体核模型

来描述，如附图所示。气相中的烯燃单体在催化剂颗粒(图中阴影部分)表面聚合后生成一多

孔的固体聚合物壳层并将催化剂包裹在内部，外部的气相烯煌单体只有扩散穿过此固体聚合物

壳层后才能到达催化剂表面参与反应。试求：

(i)证明单体在壳层中的扩散及聚合物粒子的生长由以下方程描述

一1。、

------=D—^r——(L--------)

atr2SrBr

dR_A/WQ3M

r=K

~dt-ps~Sr''

式中M为单体浓度(mol/n?),Ps为聚合物壳层的密度(kg/n?),，为单体在壳层中的扩散系数

(m2/s),为单体的分子量，R为聚合物颗粒的半径。

(ii)设催化剂核半径为b单体在外部气相本体中的浓度为"B,以上述参量为r和M的

特征尺度，并引入适当的时间尺度，将上述方程无量纲化。然后根据气相单体与固体聚合物密

度之间的巨大差别(广1(?)将问题进一步简化。

(iii)设单体在催化剂核表面的浓度恒为0(瞬时反应)，R的初始值为R)(R0＞小)，求解上

述简化后的模型并给出聚合物粒子半径R随时间的变化关系。

提示：对单体的浓度分布可采用拟稳态假定。

解：为简化计算，令单体分子量M“,的单位是kg

(1)问题建模

如图1所示，对微元分作物料衡算

oa

—(MA)dr+—(AJ)dr=O

dtdr

(18)

,QM4“2

J--D-----,A=4万厂

dr

,且SM八1"2SM、

得丁=。万工(广丁)(19)

dtrdrdr

如图2.对微元dR作物料衡算

当24”噂(2。)

dRMDdM

得w(21)

出PsSrr=R

(2)无量纲化与简化

分析：本问题存在着两个特征时间尺度，一个是单体组分内扩散通过聚合物壳层的时间尺度

r2MdMdM

马=工，该尺度可以从内扩散方程(19)中得出，为此，近似取空代替竺M/r代替

D%dtdr

,82Mr2

M/冰代替券,就可估算出句=方；另一个是聚合物颗粒生长的特征时间尺度可以从方

程(20)中用类似的比值代替微分的办法估算出T,=々&口芍。在对问题进行无量纲化时,

不同时间尺度的选择代表着所关注的不同过程。

①如果选取句=%为时间尺度，式(20)和(21)可分别无量纲化为(仍然用当前变量表示

无量纲变量)：

也=了吗

drrdrdr

dRdMgc、

—=£——(23)

dtdrr=«

rc

Pg=MBMW,£=dI

此时式(23)中出现一个小参数£o时间尺度百称为快时间尺度，选择这一尺度所得到的方程

(22)中不含有小参数&表示我们关注的是单体M通过聚合物壳层的不定常扩散而不是粒子

的生长。略去(23)中的小参数项后得到R=co〃s/,说明在考虑单体内扩散时，由于时间较

短，可以将粒子半径作为常数考虑。

因此，选择百为时间尺度显然不妥，得到的不是我们希望关注的问题。

②如果选取？2=[■登为时间尺度，(20)、(21)式可无量纲化为：

噜囱

dR_dM

(26)

dtdrr=«

此时粒子生长方程（26）不含小参数，粒径将随时间变化，表示我们关注的是颗粒的生长。而

单体内扩散方程（25）中的时间导数项含小参数&可以略去，说明在慢时间尺度、上考虑粒

子生长时，单体的内扩散过程可以忽略时间变化项，内扩散可以作为拟稳态过程来考虑。

从①和②中得到的不同简化模型说明时间尺度的选择需要根据建模目的来考虑，使简化后

的模型能够代表所关注的过程的主要特征。

（3）对单体的浓度分布作拟稳态（时间导数项为零）假设，即（25）中的£跑=0,得

dt

1a,,dM、c

——(f-——)=0

厂drdr

,r=1,M=0(27)

R

r=—,M=1

4

解得

”=(T言Q8)

代入（26）,得

dRr；

~dt~R(R-rc)

R(0)=%

解得

32c3d2/

8.在缺乏数学模型的某些情况下,仅仅根据量纲分析或尺度比较也可以获得一些很有价值

的结果，考虑以下例子：

1）对于固体颗粒在黏性流体中的Stock流动问题，颗粒受到的阻力f仅仅与颗粒尺度d,

动力学粘度U和速度u有关，即

f=f（d,H,U）

根据量纲齐次化的要求，物理方程等式两边的量纲应该相同，而有参数d,u,U组成的

具有离地量纲的参量只可能是duv,因此上述函数关系只可能取一下形式，

f=AdUv

式中A是一个只与颗粒形状有关的常数，上式即为Stock定律。

现根据上述量纲分析方法分析湍流的消磁度运动。湍流中存在一系列大小不同的涡旋，能

量从大尺度涡旋顺序传递给消磁度涡旋，同时将机械能耗散为热能，其中最小的涡旋尺度称为

Kolmogorov尺度，在这个尺度上，黏性和能量耗散占优，因此只有运动学粘度v（n？/s）和能量

耗散速率e（W/Kg）两个产量起作用，其他物理量都可以用这两个量表示。试根据量纲齐次化

原理推导出Kolmogorov尺度入及局部速度与v,e的关系（可相差一个常数）

2）流体在自由空间中的射流形成一个夹角为a的、，

圆锥型区域，如图所示，设U=U（x）为距喷口x处二—'口

的平均流速，R=R（x）为x处的射流半径，试根据，0二uZ,

总动量2U2R2沿x方向守恒的要求确定速度U和射

流区总流量Q=UR2沿x的变化关系（可相差一个常

习题8：湍动射流

数）

3）对于放热反应，当反应器尺寸增大时，其体积按长度的三次方增长，而表面积却按平

方增长，因此体积增大有利于热量的增加，而体积减小有利于冷却散热。这是化学工程中说明

“放大效应”的一个典型例子。根据类似的道理解释为什么生活在寒冷地区的动物一般体型较

大（例如北方人就比南方人高大），而且形状趋于圆滑，而热带地区的动物体型较小且趋于瘦

长（例如南方人比北方人相对较瘦，且身体凸出部分的轮廓更为明显）。

解：

1）分析：题中出现的符号意义如下

Kolmogorov尺度入m

能量耗散速率£W/Kg

运动学粘度Vm2/s

局部速度。％m/s

从£=人＜1口u可知f量纲与duu相同，

又e的量纲W/Kg与与的量纲相同

（f力一N,u速度一m/s,P密度一Kg/m\V体积一n?）

可知V与入3量纲相同，f与入v量纲相同，u与外量纲相同,

带入e=上中

PV

Avu.v,

G-T

A3

2

vA2

2）分析：

总动量夕U2R2沿X方向守恒，设0U2R2=C（C为常数）。

又R=fgax,将R带入总动量表达式中,

pU2(tgax)2=C

3）分析：

将人体看成一个反应器，食物在体内消化放出热量，除供人体正常活动所需的能量和储存

在体内外，以热量的形式通过体表释放到体外。

人体散热与人体表面积和外界温度和人体温度的差值成正比，表面积与人体尺寸的平方成

正比。可记为散热=A*温度差*表面积。

人体放热与人体体积成正比，体积与人体尺寸的立方成正比，可记为放热=B*体积（A,B

为关于人体散热放热的常数）。

为保持人体温度一定，放热与散热需要平衡，散热=放热。

寒冷地区的外界温度和人体温度的差值比热带地区大，所以需要的体积与表面积比也大，

即表现为人体尺寸大，也就是人的体型较大，而形状圆滑是为了减小表面积所致。

热带地区的人体型瘦长，身体凸出部分轮廓明显，可以增大表面积，方便散热。

9.在水平液面上垂直插入一个半径为R的毛细管，此时液体将在表面张力的拉动下沿着管中

上升。弯曲液面形成的毛细压强可以用以下Yong-Laplace方程计算

.八2GCOS3

AP=----------

R

式中。为气液表面张力，。为气液界面与固壁之间的接触角，管中流体一方面受到毛细压强的

驱动而上升，一方面又受到重力和粘性阻力的作用，设流动速度遵从粘性管流的Poiseuille分

布，求：

1）对于两端开口的毛细管，证明液位高度，随时间f的变化满足以下方程

/adH1

(jdt8

式中N为液体的动力学粘度，Pg为重力。

2）对于上端封闭的毛细管，设总管长为/,管内气体满足理想气体状态方程，试推导相

应的液位高度H的变化方程。

3）从上述方程中求出最大液位高度儿和时间变化关系”⑺,据此讨论”变化的趋势。

解：

（1）弯曲液面形成的毛细压强可以用以下Yong-Laplace方程计算，同时又受到重力的作用产

生压强，总的AP为：

八20cose

△P=-------------pgHrr

R

式中。为气液表面张力，。为气液界面与固壁之间的接触角，R为毛细管半径。

Poiseuille分布，体积流率的表达式为:

dV__R27tdH_^/?4AP

~dt~dt~Sj.iH

式中u为液体的动力学粘度，Pg为重力。

NdHR%PR2(loCos0，八1

厂了=诟=而——psHri

(2)若毛细管上端是封闭的，则由三部分组成，还有一部分是液面上端产生的压强。

RL-H

式中几为大气压强，L为毛细管长。

//dH*△尸R2(20cos。„P„H，1

----------------------pgH---------=-

(ydt一8”b8HbIRL-H)8Ha

dHc,

(3)当达到最高液位H°时,----=0,贝n!］：

dt

NdHR2\PR2(2oCos3,八1

『方=砺=而就———.尸w

_20cose

22

dHb2R厂八pgR12(yRCos0-pgRH

----=——Cosu----------=--------------------------

dt8//HaJ8〃H

积分得:

22

,0-,丝4(-pgRHo+2GRCOS0(1-\n(2oRCos0-pgR4))+2oRCosG(\n2GRCOS6-I))

p-g-R

从上式可以看出，H先增高，到最大值20cos°后开始下降。

pgR

10.气液两相的传质过程与色谱过程有许多类似之处，例如，气相通过反应器(鼓泡塔、板式

G

塔、填料塔等）的流动可以看成是溶质通过固定相的运动，

气液传质阻力可类比于气固传质阻力，气液两相的逆流操作

模式也与移动床相似。此外，气液两相在界面上处于平衡状

态，由Henry定律表述，与§7.2节考虑的微孔分子筛的内

扩散过程类似。与色谱问题不同的是，许多气液反应器（鼓

泡塔与搅拌釜）中的液相或液固两相一般都处于全混流状

态，而色谱柱中固定相是静止的，移动床中固体接近平推流。

试根据与移动床的类比建立如图所示的鼓泡塔反应器的稳

态数学模型，图中气体从塔底加入，经分布器之后形成分散

的气泡并在液体中浮升，最后从容器的上部输出；液体则从

塔顶加入，从底部流出。气相中的组分A被液体吸收后在液

相中发生一级化学反应。鼓泡塔中气相的流动可考虑为平推L

流，液相考虑为全混流。其它已知的参数为：鼓泡塔液位高

习题】0：鼓泡塔反

度I,气含率与，空塔气速U,加入液体的质量流率F,单应器

位体积气液传质系数kLa,一级反应动力学常数kA，Henry

系数”八。所建立的数学模型要求包括以下内容：

1）设0和龟分别为反应组分在气相和液相中的浓度，给出其方程和边界条件；

2）如果是强放热反应，反应热通过溶剂蒸发和气液相的连续流动移出，请自行设定有关

物性参数，给出温度T满足的方程。

解：数学模型一般包括物料衡算、热量衡算和动量衡算，对于鼓泡塔的气液反应体系，气液两

相的温度场计算是不必要，因为塔内混合良好，温差很小。动量衡算也非必要。物料衡算是要

考虑到对流、相间传质、轴向分散及化学反应等影响因素。

（1）假设塔内等温，作气相及液相的物料衡算:

dF.1dL货几/巩）

气相:——-+法瓦r4

ez8Zdt

流入项传质项返混项积蓄项

液项:

dZ+椁"?'+3=[(1-%Y吗叼

流入项传质项返混项反应项积蓄项

式中：FLJUJAR

L=Uq

PAR

假设气相平推流J=0液相全混流E3=1

边界条件:

气相：z=o：

液相：z=o：dFJdZ=0

2(if)46(7)]

与（+1）=居（-D+

（2）进气温度为心，液体为7b气体热容eg,液体热容Cp,液体的质量流量气体的质量流

量外,单位时间反应热为Q,C为常数。

鼓泡塔内温度均匀，塔内温度和排出的气体液体温度均记为7,根据能量守恒：

KcjT-Tj+FgcM-Tj+QnC*

11.填料塔广泛用于气体吸收，气液两相采用逆流操作，液体从塔顶均布后加入，沿填料

表面成液膜下降，气体从塔底加入，沿塔上升并与液体实现逆流接触，气体中的活性组分被液

体吸收后从塔底流出，净化后的气体从塔顶排出，如图所示。设从塔底加入的气体中含有待吸

收组分A和惰性气体，惰气流量为G（mol/s）,从塔顶加入的液体进

液体惰性溶剂的流量为L（mol/s）,组分A在液相中以一级反L,xa

应进行分解，给定塔的直径。和塔高”、单位体积填料的液体-HH-

气体出」

持液量4（nZ/n?）和气液传质系数4道，以及化学反应速率常G.为NJ1

数热、气液相Henry系数HA,试用微元分析法建立一数学模型，f;

描述气相浓度划（mol/mol惰气）和液相浓度XA（mol/mol溶剂）的.卜1

沿塔分布，然后从模型中消去心，得到以的单一方程，并给出呐卜厂F

适当的边界条件。LLJ

提示：可假设在气液界面上满足Henry定律，则两相传质气体进第3.号体出

速率为Aa(yA-HAXA)O

解：

习题11：填料吸收塔

分析

此填料塔用于气体的化学吸收，塔内物料平衡涉及两相：气相和液相。可分别对气相及液

相中的待吸收组分作质量守恒，守恒方程中将涉及到的未知量包括：待吸收组分A在气相中的

浓度yA（molA/mol惰性气体）和待吸收组分A在液相中的浓度xA（molA/mol溶剂）。守恒方程

数与未知量数均为2,在给定边界条件下可以得到微分方程的特解。

假设

1设待吸收组分A在液相中的反应速率为:

该反应为一级反应，反应速率常数为k(单位mol/m3s)

2设吸收塔在连续操作过程中处于稳态，进而在质量衡算方程中涉及到的积累

项均为0

解答步骤

在填料塔任一高度h处取一厚度为dh的体积微元(见习题11图)，分别考虑微元中气相

和液相的待吸收组分A的质量守恒：

输入项=(y,\+dy,jG

输出项=y“G+气液相间的质量传递量

式中气液相间的传质方向是由气相到液相，因而传递量属于输出项，其传质速率为：

k,a(yA-HAxA),其中h是以气相摩尔分率差(以一H/A)为总传质推动力的总传质系数

(单位kmol/(m2.s-Ay)),a是单位体积填料层所提供的有效传质面积(单位n?传质面积/n?

填料体积)。因而：

4力2

气液相间的质量传递量=儿。(以-•气

式中D是填料塔直径，三匕力Z为所取微元内的填料体积。

7TD2

输出项=yaG+勺a(yA-HAxA)-「一dh

由于气相中不发生待吸收组分A的分解反应，因而：

生成项=0

吸收塔处于稳态操作，因而：

积累项=0

根据质量守恒：

输入项-输出项+生成累=积累项

即：

(%+d%)G-yAG+k,a(yA-H^

整理得：

4

幽=0

-",也）

an4

液相:

输入项=XAL+气液相间传质量

式中气液相间的传质方向是从气相到液相，因而传弟量属于输入项，它的大小与气相输

出项中的气液传质量相同，为：

气液相间的质量传递量=kLa(yA-HAXA)-筲-dh

因而：

t=XAL+kLa（yA-H^—dh

4

输出项=(%+双t)L

万力2

生成项二一%x—^—dhxeL

rrF)2

式中为组分A在液相中的应反应速率，单位：mol/m3-s<,而一不力?x4是在所取填

料微元中的持液量。

-L务*4

4£)2

生成项=一工X—的X邑

生成项--罕"

积累项=0

根据质量守恒:

输入项-输出项+生成累=积累项

即:

xJ+勺"（%-"也>牛曲-&+四）L曲=0

整理得:

噜-种…苧竿=。

相应边界条件：

在填料塔底部h=0yA=yb式中yt,为进料气体中组分A的浓度

顶部h=HxA=xa式中Xa为进料液体中组分A的浓度

至此，联立关于气相与液相质量守恒的两个常微分方程，并加入边界条件：

"务一5(为一名G孚+^^=0(1-11-2)

0=0%=%

h=HxA=xa

求解此一阶常微分方程组即可得到气液相中组分A的浓度沿着塔高方向上的分布。

下面对此常微分方程组进一步化简，消去XA，以得到一个只含yA二阶常微分方程。

对式(1-11-1)变形，得:

,4G以

kLa7iD'dh

4

代入式(1-11-2)得至I」：

4G以

21

也4GJy.,"k.anDdh兀

_LfTJD,ksL7rD'

ka+=0

HAIdh—不"~L%一凡----匕----~4~-

KLa7iDanJHA

7

2

4GLdyA(cL\dyAQ

22

kLa7iDHAdh[HA)dh4

相应边界条件：

7i=o%=笫

,4GdyA

2

"kLa7rDdh

h=H

化简得：

h=0

yA=”

4Gdy

h=HA

kLa7rD~dh

从而得到关于yA的一个二阶常微分方程及其边界条件:

4GL42yA（G__L］必_

kmD2HA加<HA）dh4

<h=0

yA=y«

4Gdy

h=HAxH

2yA-aA

kta7iDdh

这是一个常系数二阶常微分方程，将实际生产中的数据代入后可以很容易解出关于组分A在气

相中的浓度yA沿塔高方向上的分布，进而得到组分A在液相中的浓度XA沿塔高方向上的分布。

12.在一鼓泡容器内，初始时刻装有体积为V的氨盐水（N&-NaCl-H?。），随后以流量产

通入C02气体，在液相中即发生以下碳酸化反应

+

CO2+NH3—NH2coCT+H（1）

Na2coer+H2O-^-^HCO^+NH3（2）

HCOy+Na+—NaHCOy（3）

这是制取纯碱（NazHCCh）的基本反应，是一个连串反应过程。其中反应（1）为快速反应，发生在

气液界面附近的液膜之内，而反应（2）、（3）为慢反应，发生在液相本体之中。设各步反应均为

拟一级反应，其中NH3和Na卡大大过量，其浓度可近似考虑为常数。容器中的气含率£、气

液比表面积w和液膜厚度＜5均为已知量，液膜体积«0«1,试分别对液膜和液相本体导出该

反应过程的数学模型，给出分批式和连续式两种操作情况下的反应器模型。

提示：液膜中的反应-扩散过程可视为拟稳态过程，C02的气液界面浓度和本体浓度可设为

已知，NH2co0一的本体衡算方程需考虑液膜向液相本体的传递速率。

解：分析：在此串连反应中，反应（1）为快反应，其反应速率远大于反应物CO?在液

相中的扩散速率，因而该反应只发生在气液界面附近的液膜之内，在液相本体中，CO2的浓度

已为零。反应（2）、（3）为慢反应，因而液相中反应物的混合速率远大于反应速率，即由液膜

中通过反应（1）生成的NH2co0一在还未发生显著的化学反应之前就已混合均匀，可以认为

NH2co0一以及其反应产物HCO「在整个反应器中均匀分布。而在反应器中，液膜体积av8«l,

即液相本体的体积远大于液膜体积，所以反应（2）、（3）绝大部分都在液相本体中完成。

由于鼓泡反应器中液膜与液相本体中分别进行着不同的反应（对于快反应（1）,主要发

生在液膜中，而对于慢反应（2）、（3）则主要发生在液相本体中），因而需要分开讨论。对于

液膜，可以采用拟稳态假设，即不论是分批式还是连续式操作，液膜内的物质浓度都不随时间

变化，积累量均为零。对于液相本体，则需将分批式与连续式操作区分对待。

此题中鼓泡反应器所涉及到的物质包括有：C02,NH3、NH2COO\H\H2O、HCO3\

Na+及NaHCCh共八种，并且其浓度分布包括在液膜内浓度分布及液相本体中的浓度分布，共

涉及有八个变量在分批式及连续式两种操作情况下在两个不同相（液膜及液相本体）中的浓度

分布。但是，通过分析，可以先排除许多量：

Ico2：在本反应器中，C02作为反应物参加快反应（1），由前面的分析可知，

C02在液相本体中的浓度为零，因而我们只需要求出在液膜中C02浓度分布即可，

根据拟稳态假设，所得到的浓度分布既可用于分批式操作，也可用于连续式操作。

+

2NE、H20,Na：在本反应器中，这三种反应物都处于大大过量，其浓度可近

似考虑为常数，因而可以在反应器模型中将其作为已知量处理，并视为常数。

3NH2co0一、HCO/：由前面的分析可知，这两种物质在液相本体中均处于均匀

分布，并且它们参与的反应（2）、（3）都是在液相本体中完成，在液膜中的反应

可以忽略，即液膜中NH2coe>一、HCC>3的浓度分布对于反应器模型没有任影响。

因而我们只需求得NH2co0和HC03一在液相本体中的浓度随时间的分布即可（在

空间上均匀分布），而二者在液膜中的浓度分布无需涉及。

4H+、NaHC03：在本反应器中，这两种物质均只出现在反应产物中，并没有以

反应物的形式参加反应，并且在反应速率方程中也没有涉及，因而在建立的反应

器模型中不涉及两者的浓度。

综上所述，本反应器模型共涉及：C02在液膜中的浓度分布，NH2coO和HCCV

在液相本体中浓度随时间的分布共三个变量。其