反應(yīng)工程作業(yè)及參考 答案.pdf

反應(yīng)工程作業(yè)反應(yīng)工程作業(yè) 第一次第一次 1、試分別對(duì)零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)等溫不可逆反應(yīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)化率達(dá)到 99.9%所需時(shí) 間與轉(zhuǎn)化率達(dá)到 50%所需時(shí)間的比。 解：對(duì)于零級(jí)反應(yīng)， A A dc rk dt 積分得到： 0AA ktcc 轉(zhuǎn)化率為： 0 0 AA A A cc x c 所以 00AAAA ktccx c 0AA x c t k 根據(jù)公式可以得到時(shí)間之比即為轉(zhuǎn)化率之比， 99.9 50 99.9% 1.998 50% t t 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，同理可以得到 1 ln 1 A kt x 11 ln 1 A t kx 時(shí)間之比為 99.9 50 1 ln 1 0.999 9.966 1 ln 1 0.5 t t 對(duì)于二級(jí)反應(yīng)， 0 1 1 A AA x kt cx 0 1 1 A AA x t kcx 時(shí)間之比為 99.9 50 0.9990.5 999 1 0.9991 0.5 t t 2、對(duì)某均相反應(yīng)，在初始濃度相同的情況下，為達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，在 100 下需 10min，在 120需 2min，試求活化能。 解：因初始濃度相同，為達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，有ktc常數(shù)，不同的溫度由于 反應(yīng)速率常數(shù) k 不同，所以時(shí)間也不同 根據(jù) Arrhenius 公式 E RT kAe 373 373393 393 2 0.2 10 EE RR k e k ，其中 R 為氣體常數(shù)，為8.314Jmol K 計(jì)算得到98.07EKJ mol 3、以乙酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)乙酸丁酯，操作溫度 為 100 ， 每 批進(jìn)料 1kmol 的 A 和 4.96kmol 的 B ， 已知 反 應(yīng) 速 率 23 1.045 AA V rc kmolm h，試求乙酸轉(zhuǎn)化率 A x分別為 0.5、0.9、0.99 所需的反 應(yīng)時(shí)間。已知乙酸與正丁醇的密度分別為 3 960kg m和 3 740kg m。 解：對(duì)于每批進(jìn)料，1kmol A 是 60kg，體積為 3 60 9600.0625 A Vm；4.96kmol B 是 368kg，體積為 3 368 7400.497 B Vm， 該反應(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程體積不變，每次投料體積 3 0.06250.4970.600Vm， 3 00 1 0.6001.67 AA cnVkmol m 反應(yīng)時(shí)間 0 2 0 0 1 1 A x AA A AAA dxx tc kckcx 將乙酸轉(zhuǎn)化率0.50.90.99 A x 、 、 代入分別計(jì)算可得 0.5 0.573th；0.95.157th； 0.99 56.73th 第第二二次次 1、 從平衡常數(shù)， 選擇性角度分析可逆， 平行， 串聯(lián)反應(yīng)的溫度效應(yīng)和濃度效應(yīng)。 可逆反應(yīng)： 1 2 k k AP 平行反應(yīng)： 1 2 k k AP AS 串聯(lián)反應(yīng)： 12 kk APS 解：可逆反應(yīng)：總反應(yīng)速率方程： 12AAP rk ck c 主反應(yīng)的速率方程： 11A rk c 平衡常數(shù) 1 2 k K k 根據(jù)范特霍夫方程 2 ln r HdK dTRT ，積分有： 2 121 11 ln r KH KRTT 對(duì)于吸熱反應(yīng)，0 r H，溫度升高，平衡常數(shù)增大，對(duì)正反應(yīng)有利。 對(duì)于放熱反應(yīng)，0 r H，溫度升高，平衡常數(shù)減小，對(duì)正反應(yīng)不利； 可逆反應(yīng)速率 120AAAeA rkkcxx 其中根據(jù)可逆反應(yīng)的正逆反應(yīng)速率相等得到： 1 Ae K x K 進(jìn)一步分析反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)。 可逆吸熱：溫度升高，k 和 K 都增加，反應(yīng)速率增加。 可逆放熱：溫度升高，K 減小、k 增加，rA存在極值，存在最佳反應(yīng)溫度 1. 可逆反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)受速率常數(shù)和平衡常數(shù)雙重影響可逆反應(yīng)速率的溫度效應(yīng)受速率常數(shù)和平衡常數(shù)雙重影響； K K xAe 1 2. 不同溫度效應(yīng)的反應(yīng)有不同的特征；不同溫度效應(yīng)的反應(yīng)有不同的特征； 3. 可逆反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)與簡(jiǎn)單反應(yīng)相同可逆反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)與簡(jiǎn)單反應(yīng)相同； 平行反應(yīng)：總速率方程： 12AAA rk ck c 主反應(yīng)的速率方程： 1PA rk c 反應(yīng)的選擇性：1 2 12 1 1 1 PA AAA A rk c S k rk ck c c k 根據(jù)阿倫尼烏斯公式 0 E RT kk e，代入方程有 12 2 02 1 01 11 1 1 EE RT A A S k k c ec k k 對(duì)于 12 EE的反應(yīng)，升高溫度，選擇性增加；相反，降低溫度，選擇性減小； 對(duì)于 12 EE的反應(yīng)，升高溫度，選擇性減小；相反，降低溫度，選擇性增加。 對(duì)于的反應(yīng)，反應(yīng)物 A 的濃度增加，選擇性增加；相反，選擇性則減??； 對(duì)于的反應(yīng)，反應(yīng)物 A 的濃度增加，選擇性減?。幌喾?，選擇性則增加； 溫度高有利于活化能高的反應(yīng)；濃度高有利于級(jí)數(shù)高的反應(yīng)溫度高有利于活化能高的反應(yīng)；濃度高有利于級(jí)數(shù)高的反應(yīng)。 串聯(lián)反應(yīng)：速率方程為 1 12 2 AA PAP SP rk c rk ck c rk c 選擇性為： 122 11 1 PAPP AAA rk ck ckc S rk ckc 根據(jù)阿倫尼烏斯公式 0 E RT kk e，代入方程有 12 022 101 11 EE PP RT AA kkcc Se kckc 對(duì)于 12 EE的反應(yīng)，升高溫度，選擇性增加；相反，降低溫度，選擇性減??； 對(duì)于 12 EE的反應(yīng)，升高溫度，選擇性減小；相反，降低溫度，選擇性增加。 當(dāng) PA cc增大時(shí)，選擇性減小，當(dāng) PA cc減小時(shí)，選擇性增大。 溫度高有利于活化能高的反應(yīng)；溫度高有利于活化能高的反應(yīng)； 任何使反應(yīng)物濃度下降、 產(chǎn)物濃度上升的因素，任何使反應(yīng)物濃度下降、 產(chǎn)物濃度上升的因素， 對(duì)串連反應(yīng)都是不利的。故不能盲目追求高轉(zhuǎn)化率。對(duì)串連反應(yīng)都是不利的。故不能盲目追求高轉(zhuǎn)化率。 2、以一級(jí)不可逆反應(yīng)為例推導(dǎo)間歇反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器以及平推流反應(yīng)器的 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式，用初始濃度與轉(zhuǎn)化率進(jìn)行表示。 并在此基礎(chǔ)上分析比較三種反應(yīng)器 的特點(diǎn)和區(qū)別？不同形式的反應(yīng)器之間是否可以相互轉(zhuǎn)變，如何實(shí)現(xiàn)？ 解：間歇反應(yīng)器，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算，對(duì)于物料 A，由于反應(yīng)期間沒(méi)有 物料加入反應(yīng)器或從反應(yīng)器中取出物料， 故可以寫(xiě)出微元時(shí)間dt的物料衡算式。 單位時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)器中的物料 A 的量 （0） =單位時(shí)間排出反應(yīng)器物料 A 的量 （0） +單位時(shí)間反應(yīng)消耗掉的物料 A 的量（ A r V）+單位時(shí)間反應(yīng)器中物料 A 的積累 量（ A dn dt ） 0=0+ A A dn r V dt 0 0 1 AA AA A d nx dndx n dtdtdt 0 AA AA dndx r Vn dtdt 整理并積分得到 0 0 A x A A A dx tn rV 在恒容條件下，對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng) 0 1 AAAA rkckcx，代入積分得到 00 00 0 1 ln 1 1 AA xx AA AAA AAA dxdx tncx rVkcxk 特點(diǎn)：一次性加料，一次性出料，間歇操作，不存在返混 全混流反應(yīng)器：對(duì)于全混流反應(yīng)器，整個(gè)反應(yīng)器對(duì)物料 A 做物料衡算。 進(jìn)入反應(yīng)器中的物料 A 的量（ 000AA Fv c）=排出反應(yīng)器物料 A 的量（ A F）+反 應(yīng)消耗掉的物料 A 的量（ A r V）+反應(yīng)器中物料 A 的積累量（0） 故 0AAA F xr V 整理得到： 0000 A AAAA xVV Fv ccr 0 0 AA A c xV vr 對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng) 0 1 AAAA rkckcx，代入整理得到： 0 0 11 AAA AAA cxx kcxkx 特點(diǎn)：連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料，連續(xù)化操作，返混達(dá)到最大。 平推流反應(yīng)器：取長(zhǎng)度為 L，體積為 dV 的任一微元管段對(duì)物料 A 做物料衡算。 進(jìn)入反應(yīng)器中的物料 A 的量（ A F）=排出反應(yīng)器物料 A 的量（ AA FdF）+反應(yīng) 消耗掉的物料 A 的量（ A rdV）+反應(yīng)器中物料 A 的積累量（0） AAAA FFdFrdV 00 1 AAAAAA dFd FxF dxrdV 對(duì)于整個(gè)反應(yīng)器，將上式進(jìn)行積分： 00 0 A Vx A AA dxdV Fr 0 00 A x A AAA dxV Fcr 0 0 0 A x A A A dxV c vr 對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng) 0 1 AAAA rkckcx，代入積分得到 0 00 0 1 ln 1 1 AA xx AA AA AA dxdxV cx vrkxk 特點(diǎn)：連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)出料，連續(xù)操作，不存在返混。 相互轉(zhuǎn)化：間歇反應(yīng)器若無(wú)輔助操作時(shí)間可轉(zhuǎn)化為平推流反應(yīng)器，多個(gè)全混流反 應(yīng)器串聯(lián)可轉(zhuǎn)化為平推流反應(yīng)器， 當(dāng)循環(huán)管式反應(yīng)器的循環(huán)比無(wú)限大時(shí)可以轉(zhuǎn)化 為全混流反應(yīng)器。 3、液相自催化反應(yīng)AP，反應(yīng)速率 AAP rkc c， 23 10kmkmol s，進(jìn)料體 積流量 3 0 0.002Vms， 進(jìn)料濃度 3 0 2 A ckmol m， 0 0 P c， 當(dāng)轉(zhuǎn)化率0.98 A x 時(shí)， 下列各種情況下的反應(yīng)器體積。 （1）單個(gè)全混流反應(yīng)器； 解：全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程為： 0 0 AA A c xV vr 已知速率方程為 2 000 11 AA PAAAAAAA rkc ck cxc xkc xx ， 代入設(shè)計(jì)方程 并代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到： 00 22 000 11 0.25 111021 0.98 AAAA AAAAAA c xc xV s vrkc xxkcx 所以反應(yīng)器的體積為： 43 0 0.25 0.0025 100.5VvmL 。 （2）單個(gè)平推流反應(yīng)器。 解：平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程為： 0 0 0 A x A A A dxV c vr 已知速率方程為 2 000 11 AA PAAAAAAA rkc ck cxc xkc xx ， 代入設(shè)計(jì)方程 并代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到： 00 2 000 000 0.98 0.98 3 2 0 0 1 11 1 5 10ln0.0194 10211 AAA xxx AAA AA AAAAAAA AA AAA dxdxdxV cc vrkc xxkcxx dxx s xxx 所以反應(yīng)器的體積為： 53 0 0.0194 0.0023.89 100.0389VvmL 4、對(duì)于放熱反應(yīng)，什么叫作絕熱溫升？穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)應(yīng)滿(mǎn)足什么條件？分析下圖 中的穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。 （自學(xué)后做） 290300310320330340350360 0 200 400 600 800 1000 Qr5 Qr4 C1 A3 Qr3 Qr2 Qr1 Qr Qg C3 C2 B2 A2 A1 T / K Qg或Qr / kJ/s IG QU 解：絕熱溫升：當(dāng)系統(tǒng)的總進(jìn)料的摩爾流量為絕熱溫升：當(dāng)系統(tǒng)的總進(jìn)料的摩爾流量為 1 時(shí)，反應(yīng)物時(shí)，反應(yīng)物 A 全部轉(zhuǎn)化后全部轉(zhuǎn)化后 所能導(dǎo)致反應(yīng)混合物溫度升高的值，稱(chēng)為絕熱溫升所能導(dǎo)致反應(yīng)混合物溫度升高的值，稱(chēng)為絕熱溫升。 穩(wěn)態(tài)操作應(yīng)滿(mǎn)足的條件： rg QQ， g r dQ dQ dTdT 圖中的 g Q代表放熱曲線(xiàn)， r Q代表移熱曲線(xiàn)，如果保持其他參數(shù)不變改變進(jìn) 料溫度，則放熱曲線(xiàn) g Q不變，移熱曲線(xiàn) r Q平移。圖中相互平行的 r Q曲線(xiàn)，代表 不同的進(jìn)料溫度。最左端的代表進(jìn)料的溫度最低，隨著 r Q曲線(xiàn)的右移，進(jìn)料溫 度不斷變高， g Q和 r Q出現(xiàn) 1、2 或者 3 個(gè)交點(diǎn)。 圖中的 5 個(gè)點(diǎn)都滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)操作的第一個(gè)條件 rg QQ，對(duì)于 A1點(diǎn)，當(dāng)溫度受 到波動(dòng)降低時(shí)，產(chǎn)熱速率 g Q和移熱速率 r Q都降低，但由于 gr QQ，反應(yīng)物料被 加熱，物料溫度又回復(fù)到 A1點(diǎn)；當(dāng)溫度受到波動(dòng)升高時(shí)，產(chǎn)熱速率 g Q和移熱速 率 r Q都增加，但由于 rg QQ，反應(yīng)物料被冷卻，物料溫度又回復(fù)到 A1點(diǎn)，所以 A1點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。 其中 A2、C2、C3點(diǎn)與 A1點(diǎn)有相同的規(guī)律，所以是穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。 對(duì)于 B2點(diǎn)，雖然滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)操作的第一個(gè)條件 rg QQ，但溫度受到波動(dòng)降低 時(shí)，產(chǎn)熱速率 g Q和移熱速率 r Q都降低，但由于 gr QQ，反應(yīng)物料一直被冷卻， 直到到達(dá) A2點(diǎn)；當(dāng)溫度受到波動(dòng)升高時(shí)，產(chǎn)熱速率 g Q和移熱速率 r Q都增加，但 由于 rg QQ，來(lái)不及移走反應(yīng)熱，反應(yīng)物料的溫度繼續(xù)上升， 直到 C2點(diǎn)，由 于實(shí)際操作過(guò)程中不可能做到一點(diǎn)也不波動(dòng)，因此 B2點(diǎn)不是穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。 A1、 A2、 A3點(diǎn)都是熱穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)， 但由于轉(zhuǎn)化率較低 （放熱反應(yīng)產(chǎn)熱量低） ， 不是合適的操作點(diǎn)；C1、C2、C3也都是熱穩(wěn)定操作點(diǎn)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率也較高。 4r Q與 g Q有兩個(gè)交點(diǎn) IG 和 C1點(diǎn)具有特殊性，隨著反應(yīng)溫度的增加，操作狀態(tài)點(diǎn) 變到 IG 點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)料溫度稍有增加，由于 g r dQ dQ dTdT ，反應(yīng)器內(nèi)的溫度迅速增 至熱穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn) C1，即 IG 點(diǎn)是不穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)，上述的反應(yīng)器內(nèi)不連續(xù)溫度突 變現(xiàn)象稱(chēng)為起燃， 點(diǎn) IG 為起燃點(diǎn)， 或稱(chēng)著火點(diǎn)。 如果將 r Q曲線(xiàn)從最右向左平移， 5r Q與 g Q的兩個(gè)交點(diǎn) QU 和 C3也存在特殊性，隨著溫度的降低，操作狀態(tài)點(diǎn)變 到 QU 點(diǎn)時(shí)，此時(shí)的操作溫度稍有變化，由于 g r dQ dQ dTdT ，反應(yīng)器內(nèi)的溫度迅速 降至熱穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn) A3，即 QU 點(diǎn)是不穩(wěn)定的狀態(tài)點(diǎn)，上述的反應(yīng)器內(nèi)不連續(xù)溫 度突變現(xiàn)象稱(chēng)為熄火，點(diǎn) QU 為熄火點(diǎn)。 第第三三次次 1、達(dá)到定態(tài)操作的反應(yīng)器進(jìn)口物料中，用脈沖法注入示蹤有色物料，于出口用 比色法測(cè)定有色示蹤物濃度隨時(shí)間的變化， 數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。 設(shè)過(guò)程中物料密度不變， 試確定物料的平均停留時(shí)間與停留時(shí)間分布函數(shù)，并計(jì)算方差。 表 1 示蹤物濃度隨時(shí)間的變化值 時(shí)間 t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 示蹤物濃度/(g/m3) 0 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 0 0 解：系統(tǒng)每隔一段時(shí)間取樣，所得的分布密度函數(shù) E 一般為離散型的，平均停 留時(shí)間的計(jì)算式為： tE tttE t t E ttE t 0 t E t F t E t 2 22 t t E t t E t 0 6.5 12.5 12.5 10.0 5.02.5 1.0 0 050E t 0 120 6.5 240 12.5840 1.0 0 018720tE t 18720 374.4 50 tE t ts E t 時(shí)間 t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 示蹤物濃度/(g/m3) 0 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 0 0 0 t E t 0 6.5 19.0 31.5 41.5 46.5 49.0 50.0 50.0 50.0 F t 0 0.13 0.38 0.63 0.83 0.93 0.98 1.00 1.00 1.00 2222 0 1206.5 24012.58401.0 0 08539200t E t 2 2222 8539200 374.430609 50 t t E t ts E t 2 2 2 0.218 t t 05001000 0.0 0.5 1.0 F(t) t 停留時(shí)間分布函數(shù)圖 2、間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器中流體停留時(shí)間分布各有什么特 征？ 解：間歇反應(yīng)器不存在停留時(shí)間分布 平推流反應(yīng)器 ,0,0tF tE t； ,1,tF tE t； 圖形描述見(jiàn)教材 P94。 全混流反應(yīng)器 1 1, te F teE te 圖形描述見(jiàn)教材 P95。 3、 某一復(fù)合反應(yīng)瞬時(shí)選擇性SR與轉(zhuǎn)化率XA的關(guān)系如圖所示， 最終轉(zhuǎn)化率為0.9， 選擇什么樣的反應(yīng)器及其組合方式、或者其它工藝方案，使得總的收率最大？說(shuō) 明理由。 0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 SR XA 收率 Y=SRXA，從圖中可得，當(dāng)轉(zhuǎn)化率低于 0.55 時(shí)，選擇性是隨著轉(zhuǎn)化率的增 加而增加，轉(zhuǎn)化率在 0.55 到 0.9 之間，反應(yīng)的選擇性隨轉(zhuǎn)化率的增加而減下，要 使收率最大，轉(zhuǎn)化率低于 0.55 時(shí)，選全混流反應(yīng)器，收率為圖中紅色線(xiàn)圍成的 矩形的面積，若選平推流反應(yīng)器，則收率為曲線(xiàn)和坐標(biāo)軸圍成圖形的面積，同理 分析轉(zhuǎn)化率從 0.55 到 0.9，選擇平推流，收率最高。因此，整個(gè)過(guò)程選擇全混流 和平推流反應(yīng)器的串聯(lián)，轉(zhuǎn)化率 0.55 之前選擇全混流，0.55 到 0.9 選擇平推流。 第第四四次次 1、氣體在有催化劑存在下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)可設(shè)想由那幾個(gè)步驟組成。 答：外擴(kuò)散，內(nèi)擴(kuò)散，吸附，反應(yīng)，脫附，內(nèi)擴(kuò)散，外擴(kuò)散。詳見(jiàn)教材 P121。 2、乙炔與氯化氫在 HgCl2-活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應(yīng)如下 2223 C H +HClC H Cl A B C 其動(dòng)力學(xué)方程可表示為 2 1 ABC AABBCC k p ppK r K pK pK p 根據(jù)此動(dòng)力學(xué)方程，推測(cè)其反應(yīng)機(jī)理，并寫(xiě)出動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)過(guò)程。 解：反應(yīng)機(jī)理： AA BB ABC CC AAA V K p BBBV K p CCCV K p 1 ABCV 聯(lián)立方程組求解得： 1 1 1 1 1 AA A AABBCC BB B AABBCC CC C AABBCC V AABBCC K p K pK pK p K p K pK pK p K p K pK pK p K pK pK p 表面反應(yīng)為控制步驟： 12AABC V rrkk 所以 2 1 ABC AABBCC k p ppK r K pK pK p 其中 1AB kk K K， 1 2 AB C k K K K k K 3、某一氣固催化反應(yīng)的機(jī)理可表示為 211 22 12121 11 22 22 2 AA BB ABRS RR SS 試根據(jù)反應(yīng)機(jī)理推導(dǎo)出該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。 解： 1 1 1 1 AAAV RRRV ARV K p K p 聯(lián)立方程解得： 1 1 1 1 1 AA A AARR RR R AARR V AARR K p K pK p K p K pK p K pK p 2 2 2 1 BBBV SSSV BSV K p K p 同理求得： 2 1 1 1 1 BB B BBSS SS S BBSS V BBSS K p K pK p K p K pK p K pK p 表面反應(yīng)為控制步驟： 2 121AABRSV rrkk 所以 12 2 11 ABABRSRS AARRBBSS k K K p pk K K p p r K pK pK pK p 12 2 11 ABRS AARRBBSS K p pK p p r K pK pK pK p 其中， 11AB Kk K K， 22RS Kk K K。 第第五五次次 1、某一加氫催化反應(yīng)，在 1atm 及 80下進(jìn)行，如顆粒的1.16 P g mL， 0.1465 e Wm K，H2在粒內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù) 22 3.0 10 e Dcms ，反應(yīng)熱 180HkJ mol ， 反應(yīng)的活化能為62.8kJ mol， 如反應(yīng)組分在進(jìn)料中占 20%， 而用無(wú)擴(kuò)散影響的細(xì)粒子測(cè)得的反應(yīng)速率為 6 1 10 mols g 催化劑，試估算在 粒度為1.30 P dcm時(shí)的反應(yīng)速率 解：內(nèi)擴(kuò)散模數(shù) 22 11 sAA S eASeAS RR rrA DcDc 式中 A S r是以粒子體積為基準(zhǔn)的粒子表面反應(yīng)速率， A r是以粒子體積為基 準(zhǔn)的粒子內(nèi)的反應(yīng)速率 1 20% 0.0069 0.08227380 A AS p cmol L RT 2 2 6 23 1.3 211 1 101.162.37 3 100.0069 10 A S eAS R Ar Dc 323 2 180 103.0 100.0069 10 0.072 0.1465 10273 80 eAS eS H D c T 3 62.8 10 21.40 8.314273 80 E r RT 由于21.40r 接近 20，0.072，2.37 s 試查圖 5-13， 得到2 s ，1.3， 所以反應(yīng)速率 6 1.3 10 AA S rrmols g 催化劑 2、通過(guò)詳細(xì)分析并推導(dǎo)內(nèi)擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)選擇性的影響（兩個(gè)獨(dú)立并存的反應(yīng)，平 行反應(yīng)，串聯(lián)反應(yīng)） 。 解： 兩個(gè)獨(dú)立并存的反應(yīng)： 1 2 k k AB+C RS+W 主反應(yīng) 當(dāng)溫度達(dá)定常態(tài)時(shí)，粒外擴(kuò)散速率應(yīng)與粒內(nèi)相等。 01 sss s rk a cck c ka 式中：傳質(zhì)系數(shù) 單位催化劑外表面積 0 1 1 11 s rc k ak 其中： 1 s k a 代表粒外阻力影響， 1 1 k 代表粒內(nèi)阻力影響； 0 22 1 2 0 1 1 11 11 A s R R s A c kak r S r c kak 當(dāng)內(nèi)外阻力不存在時(shí) 1 0 2 0 A R kc S kc ，一般情況下， 121 ()kkk主反應(yīng)為，粒外傳質(zhì) 阻力使選擇性 S 下降；又因k大者大，因而小，故 12 ，內(nèi)擴(kuò)散阻力使選 擇性 S 降低。 平行反應(yīng)： 11 22 k 1 k 2 AB AD n BA n DA rk c rk c 存在內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)， 催化劑顆粒內(nèi)反應(yīng)物A的濃度 A c顯然低于外表面濃度 A S c， 則催化劑顆粒內(nèi)某一位置處瞬時(shí)選擇性 212 1 1 1 B nn BD A r S k rr c k 不存在內(nèi)擴(kuò)散影響時(shí)，瞬時(shí)選擇性 21 2 0 1 1 1 nn A S k c k 當(dāng) 12 nn，內(nèi)擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)選擇性無(wú)影響； 當(dāng) 12 nn，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)大于副反應(yīng)的級(jí)數(shù)，則內(nèi)擴(kuò)散使選擇性降低； 當(dāng) 12 nn，即主反應(yīng)的級(jí)數(shù)小于副反應(yīng)的級(jí)數(shù)，則內(nèi)擴(kuò)散使選擇性升高。 串聯(lián)反應(yīng)： 12 kk AB()C 目的 對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，選擇性 2 1 1 BB AA dck c S dck c 由于內(nèi)擴(kuò)散阻力的存在， 粒外比粒內(nèi)的 A c大， 而 B 粒內(nèi)大， 生成 B 的選擇性小。 對(duì)于內(nèi)擴(kuò)散阻力大而有效擴(kuò)散系數(shù)相等時(shí)， 1 2 1 2 12 01 1 2 2 012 1 B B AA ck k rk S rkc k k 內(nèi)擴(kuò)散的存在，反應(yīng)的選擇性顯著降低 進(jìn)口無(wú) B，則0 B c ， 2 1 11 BB AA dck c S dck c 但有強(qiáng)內(nèi)阻力時(shí)， 1 2 12 12 1 2 12 1 k k Sk k k k ，則降低越多。 第第六六次次 1、SO2氧化成 SO3為一氣固催化可逆放熱反應(yīng)，其反應(yīng)平衡線(xiàn) 1 和最佳反應(yīng)溫 度線(xiàn) 2 如圖所示： 原料氣 催化劑層 層 層 e d c f g b 2 T X 1 a 現(xiàn)擬采用中間冷卻多段絕熱固定床反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)， 在圖上描繪出反應(yīng)過(guò)程的轉(zhuǎn) 化率（X）與溫度（T）的變化趨勢(shì)，并說(shuō)明工藝過(guò)程。 解：轉(zhuǎn)化率（X）與溫度（T）的變化趨勢(shì)如圖，原料氣的進(jìn)料狀態(tài)以 a 點(diǎn)表示， 經(jīng)過(guò)第一段床層，溫度和轉(zhuǎn)化率變化的 b 點(diǎn)，此時(shí)，通過(guò)原料氣冷激，溫度和轉(zhuǎn) 化率隨著 bc 線(xiàn)降低，此時(shí)進(jìn)入第二段床層，進(jìn)行反應(yīng)，重復(fù)第一段的過(guò)程。 2、簡(jiǎn)述固定床催化劑應(yīng)滿(mǎn)足的條件，簡(jiǎn)述固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 解：固定床催化劑應(yīng)滿(mǎn)足的條件：需要有一定的強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命。 固定床反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)： （1）返混小，流體同催化劑可進(jìn)行有效接觸，當(dāng)反應(yīng)伴有串聯(lián)副反應(yīng)時(shí)可 得較高選擇性； （2）催化劑機(jī)械損耗小； （3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 固定床反應(yīng)器的缺點(diǎn)： （1） 傳熱差， 反應(yīng)放熱量很大時(shí)， 即使是列管式反應(yīng)器也可能出現(xiàn)飛溫 （反 應(yīng)溫度失去控制，急劇上升，超過(guò)允許范圍） ； （2）操作過(guò)程中催化劑不能更換，催化劑需要頻繁再生的反應(yīng)一般不宜使 用，常代之以流化床反應(yīng)器或移動(dòng)床反應(yīng)器。 第第七七次次 1、某合成反應(yīng)的催化劑，其粒度分布如下： 3 10 /cm P d 40 31.5 25.0 16.0 10.0 5.0 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 5.80 27.05 27.95 30.07 6.49 3.84 已知顆粒的形狀系數(shù)0.75 s ，0.55 mf ， 3 1.30 P g cm，在 12