李紹芬版本反應(yīng)工程課后習(xí)題全解多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng).docVIP

6.多相系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象6.1、在半徑為R的球形催化劑上，等溫進(jìn)行氣相反應(yīng)。試以產(chǎn)物B的濃度CB為縱座標(biāo)，徑向距離r為橫座標(biāo)，針對下列三種情況分別繪出產(chǎn)物B的濃度分布示意圖。（1） （1） 化學(xué)動力學(xué)控制（2） （2） 外擴(kuò)散控制（3） （3） 內(nèi)、外擴(kuò)散的影響均不能忽略圖中要示出CBG，CBS及CBe的相對位置，它們分別為氣相主體、催化劑外表面、催化劑顆粒中心處B的濃度，CBe是B的平衡濃度。如以產(chǎn)物A的濃度CA為縱座標(biāo),情況又是如何?解(1)以產(chǎn)物B的濃度為縱座標(biāo)(2)以產(chǎn)物A的濃度為縱座標(biāo)6.2 已知催化劑顆粒外表面的氣膜傳熱系數(shù)為117w/m2K,氣體的密度和熱容分別為0.8kg/m3和2.4J/kgK,試估算氣膜的傳質(zhì)系數(shù).解:6.3 某催化劑,其真密度為3.60g/cm3,顆粒密度為1.65g/cm3,比表面積為100m2/g.試求該催化劑的孔容,孔隙率和平均孔半徑.解:6.4 已知鐵催化劑的堆密度為2.7g/cm3, 顆粒密度為3.8 g/cm3,比表面積為16m2/g,試求每毫升顆粒和每毫升床層的催化劑表面積.解:6.5 試推導(dǎo)二級反應(yīng)和半級反應(yīng)的擴(kuò)散有效因子表達(dá)式(6.23)和(6.24).解:(1)二級反應(yīng),(2)半級反應(yīng)6.6 在充填ZnO-Fe2O3催化劑的固床反應(yīng)器中,進(jìn)行乙炔水合反應(yīng):已知床層某處的壓力和溫度分別為0.10Mpa,400,氣相中C2H2含量為3%(mol),該反應(yīng)速率方程為r=kCA,式中CA為C2H2的濃度,速率常數(shù)k=7.06107exp(-61570/RT),h-1,試求該處的外擴(kuò)散有效因子.數(shù)據(jù):催化劑顆粒直徑0.5cm,顆粒密度1.6g/cm3,C2H2擴(kuò)散系數(shù)7.310-5m2/s,氣體粘度2.3510-5Pas,床層中氣體的質(zhì)量流速0.2kg/m2s.解:由已知條件可得6.7實驗室管式反應(yīng)器的內(nèi)徑2.1cm,長80cm ,內(nèi)裝直徑6.35mm的銀催化劑進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng),原料氣為含乙烯2.25%(mol)的空氣,在反應(yīng)器內(nèi)某處測得P=1.06105Pa,TG=470K,乙烯轉(zhuǎn)化率35.7%,環(huán)氧乙烷收率23.2%,已知顆粒外表面對氣相主體的傳熱系數(shù)為58.3w/m2K,顆粒密度為1.89g/cm3.設(shè)乙烯氧化的反應(yīng)速率為1.0210-2kmol/kgh,試求該處催化劑外表面與氣流主體間的溫度差.解:6.8 一級連串反應(yīng):在0.1Mpa及360下進(jìn)行,已知k1=4.368 s-1,k2=0.417 s-1,催化劑顆粒密度為1.3g/cm3,(kGam)A和(kGam)B均為20cm3/gs.試求當(dāng)CBG/CAG=0.4時目的產(chǎn)物B的瞬時選擇性和外擴(kuò)散不發(fā)生影響時的瞬時選擇性.解:外擴(kuò)散無影響時,由(6.35)式得:外擴(kuò)散有影響時,由(6.34)式得:上式中所用的6.9 在Pt/Al2O3催化劑上于200用空氣進(jìn)行微量一氧化碳反應(yīng),已知催化劑的孔容為0.3cm3/g,比表面積為200m2/g,顆粒密度為1.2g/cm3,曲節(jié)因子為3.7.CO-空氣二元系統(tǒng)中CO的正常擴(kuò)散系數(shù)為0.192cm2/s.試求CO在該催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù).6.10 試推導(dǎo)球形催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子表達(dá)式(6.60).解:用以上各式對教材中(6.55)式進(jìn)行變量置換得: (A)(A) (A) 式為二階常系數(shù)齊次微分方程,邊界條件:r=0 du/dr=0; r=Rp u=CASRp (B)結(jié)合邊界條件(B)式解(A)得: 有內(nèi)擴(kuò)散影響時的反應(yīng)速率為:按內(nèi)擴(kuò)散有效因子的定義:(F)即為教材(6.60)式,(E)式是(6.60)的又一形式.6.11 在球形催化劑上進(jìn)行氣體A的分解反應(yīng),該反應(yīng)為一級不可逆放熱反應(yīng).已知顆粒直徑為0.3cm,氣體在顆粒 中有效擴(kuò)散系數(shù)為4.510-5m2/h,顆粒外表面氣膜傳熱系數(shù)為44.72w/m2K,氣膜傳質(zhì)系數(shù)為310m/h,反應(yīng)熱效應(yīng)為-162kJ/mol,氣相主體A的濃度為0.20mol/l,實驗測得A的表觀反應(yīng)速率為1.67mol/minl, 試估算：（） （） 外擴(kuò)散阻力對反應(yīng)速率的影響；（） （） 內(nèi)擴(kuò)散阻力對反應(yīng)速率的影響；（） （） 外表面與氣相主體間的溫度差解： (3)計算外表面與氣相主體間溫度差m：6.12 在固體催化劑上進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)已知反應(yīng)速率常數(shù)k,催化劑外表面積對氣相的傳質(zhì)系數(shù)為kGam,內(nèi)擴(kuò)散有效因子.CAG為氣相主體中組分A的濃度.(1)試推導(dǎo):(2)若反應(yīng)式(A)改為一級可逆反應(yīng)則相應(yīng)的(B)式如何?解:(1)一級不可逆反應(yīng)A B:(2)一級可逆反應(yīng)6.13 在150,用半徑100m的鎳催化劑進(jìn)行氣相苯加氫反應(yīng),由于原料中氫大量過剩,可將該反應(yīng)按一級(對苯)反應(yīng)處理,在內(nèi),外擴(kuò)散影響已消除的情況下,測得反應(yīng)速率常數(shù)kp=5min-1, 苯在催化劑顆粒中有效擴(kuò)散系數(shù)為0.2cm2/s,試問:(1) (1) 在0.1Mpa 下,要使=0.8,催化劑顆粒的最大直徑是多少?(2) (2) 改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比,重復(fù)上問的計算.(3) (3) 改為液相苯加氫反應(yīng),液態(tài)苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)10-5 cm2/s.而反應(yīng)速率常數(shù)保持不變,要使=0.8,求催化劑顆粒的最大直徑.解:用試差法從上二式可解得當(dāng)=0.8時,需dp6.36cm(2)2.02Mpa時,De0.20.101/2.02=0.01 cm2/s,與此相對應(yīng):同上法可求得當(dāng)=0.8時,需dp1.42cm (3)液相反應(yīng)時,De=110-6cm2/s,與此相應(yīng)的為21.51dp,同上法可求得當(dāng)=0.8時,需dp0.0142cm.6.14 一級不可逆反應(yīng)A B,在裝有球形催化劑的微分固定床反應(yīng)器中進(jìn)行溫度為400等溫,測得反應(yīng)物濃度為0.05kmol/m3時的反應(yīng)速率為2.5 kmol/m3床層min ,該溫度下以單位體積床層計的本征速率常數(shù)為kv=50s-1 ,床層孔隙率為0.3,A的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.03cm2/s,假定外擴(kuò)散阻力可不計,試求:(1) (1) 反應(yīng)條件下催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子(2) (2) 反應(yīng)器中所裝催化劑顆粒的半徑實驗測得(-RA)=0.0417 kmol/sm3床層,解上二式得=0.0167,可見內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重.由=1/=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反應(yīng)器所裝催化劑的顆粒 半徑為3.69cm.6.15 在0.10Mpa,530進(jìn)行丁烷脫氫反應(yīng),采用直徑5mm的球形鉻鋁催化劑,此催化劑的物理性質(zhì)為:比表面積120m2/g,孔容0.35cm3/g,顆粒密度1.2g/cm3,曲節(jié)因子3.4.在上述反應(yīng)條件下該反應(yīng)可按一級不可逆反應(yīng)處理,本征反應(yīng)速率常數(shù)為0.94cm3/gs,外擴(kuò)散阻力可忽略,試求內(nèi)擴(kuò)散有效因子.解:丁烷分子量為58,=10-5cm,=2Vg/Sg=58.310-8cm, /2=8.576,此值與10接近,故可近似擴(kuò)散是以奴森擴(kuò)散為主:由(6.60)式算得=0.465.6.16 在固定床反應(yīng)器中等溫進(jìn)行一級不可逆反應(yīng),床內(nèi)填充直徑為6mm的球形催化劑,反應(yīng)組分在其中的擴(kuò)散系數(shù)為0.02cm2/s,在操作溫度下,反應(yīng)式速率常數(shù)等于0.01min-1,有人建議改有3mm的球形催化劑以提高產(chǎn)量,你認(rèn)為采用此建議能否增產(chǎn)?增產(chǎn)幅度有多大?假定催化劑的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)均不隨顆粒大小而改變,并且改換粒度后仍保持同一溫度操作.解:故采用此建議產(chǎn)量的增加是很有限的.6.17 在V2O5/SiO2催化劑上進(jìn)行萘氧化制苯酐的反應(yīng),反應(yīng)在1.013105Pa和350下進(jìn)行,萘-空氣混合氣體中萘的含量為0.10%(mol),反應(yīng)速率式為:式中PA為萘的分壓,Pa.已知催化劑顆粒密度為1.3g/cm3,顆粒直徑為0.5cm,試計算萘氧化率為80%時萘的轉(zhuǎn)化速率(假定外擴(kuò)散阻力可忽略),有效擴(kuò)散系數(shù)等于310-3cm2/s.解:因外擴(kuò)散阻力可不計,故CASCAG,式中由教材(6.66)式計算,為此先計算以下數(shù)據(jù):將此PAG=CAGRT,p=1300kg/m3顆粒,T=(350+273)K代入上式,并將小時換為秒計則得:由上式得 kp=2.19610-4又:CAS=CAG=PAG/RT=1050.1%(1-0.8)/(8314623)=3.86110-6 kmol/m3將有關(guān)數(shù)值代入(6.66)式得:最后得萘氧化率為80%時的萘的轉(zhuǎn)化速率為:6.18 乙苯脫氫反應(yīng)在直徑為0.4cm的球形催化劑上進(jìn)行,反應(yīng)條件是0.10Mpa,600,原料氣為乙苯和水蒸汽的混合物,二者摩爾比為1:9,假定該反應(yīng)可按擬一級反應(yīng)處理.(1)當(dāng)催化劑的孔徑足夠大,孔內(nèi)擴(kuò)散屬于正常擴(kuò)散,擴(kuò)散系數(shù)D=1.510-5m2/s, 試計算內(nèi)擴(kuò)散有效因子.(2)當(dāng)催化劑的平均孔徑為100時,重新計算內(nèi)擴(kuò)散有效因子.已知:催化劑顆粒密度為1.45g/cm3,孔率為0.35,曲節(jié)因子為3.0.解:為計算內(nèi)擴(kuò)散有效因子,先求取Kp:將 PEB=RTCEB,T=(600+273)代入上式得:由此得Kp=1.252 s-1(1) (1) 孔徑足夠大,屬正常擴(kuò)散時,由此求得=0.564,由(6.60)式算得=0.85(2) (2) 孔半徑為100時:/2=10-5/20010-8=5,屬于過渡區(qū)擴(kuò)散,由教材(6.36)式可算得乙苯的Dk=2.78410-2cm2/s.由上數(shù)據(jù)可算得=1.425,由教材(6.60)式算得=0.5286.19 苯(B)在釩催化劑上部分氧化成順酐(MA),反應(yīng)為:這三個反應(yīng)均為一級反應(yīng).實驗測得反應(yīng)器內(nèi)某處氣相中苯和順酐的濃度分別為1.27%和0.55%(均為mol%),催化劑外表面溫度為623K,此溫度下,k1=0.0196 s-1,k2=0.0158 s-1,k3=1.9810-3 s-1,苯與順酐的kGam均為1.010-4m3/skg.催化劑的顆粒密度為1500kg/m3,試計算反應(yīng)的瞬間選擇性并與外擴(kuò)散無影響時的瞬時選擇性