化學反應工程網(wǎng)絡作業(yè)

1、2015-2016第一學期 化學反應工程網(wǎng)絡課堂作業(yè)1-1(B) 1.什么是間歇操作、連續(xù)操作？它們一般各有哪些主要特點？間歇操作：將反應原料一次加入反應器，反應一段時間或達到一定的反應程度后一次取出全部的反應物料，然后進入下一輪操作。特點：反應過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出，不存在物料的進與出。連續(xù)操作：連續(xù)地將原料輸入反應器，反應產物也連續(xù)地流出反應器。特點：物料連續(xù)輸入，產物連續(xù)輸出，時刻伴隨著物料的流動。2. 根據(jù)反應物料的流動與混和狀態(tài)，反應器可分為哪些類型？可分為：理想流動模型（平推流反應器-PFR，全混流反應器-MFR或CSTR）非理想流動模型3. 什么是流體的質點？停

2、留時間分布、壽命分布和年齡分布分別是什么？  什么又是返混？流體的質點：代表一堆分子所組成的流體，它的體積比反應器的體積小到可以忽略，但其中所包含的分子足夠多，具有確切的統(tǒng)計平均性質，如組成、溫度、壓力、流速；停留時間分布：由于連續(xù)反應器中的死角、溝流、短路等造成不同質點在反應器中的停留時間不同，形成停留時間分布；壽命分布：反應器出口處質點的RTD；年齡分布：仍然留在反應器中的質點的RTD；返混：不同年齡質點間的混合時間概念上的逆向。連續(xù)流動反應器中，反應物料的參數(shù)隨空間位置而變，不同空間位置的物料由于倒流、繞流、回流等流動狀況，使不同年齡的質點混合。1-2(B). 什么是關鍵組分和

3、關鍵反應？關鍵組分：為了能夠計算所有氣體組分的摩爾數(shù)變化，至少應該知道多少化學物質的摩爾數(shù)如何變化，這些物質稱為關鍵組分。關鍵反應：為了說明所有組分的摩爾數(shù)變化，至少需要多少反應方程式，這些反應稱之為關鍵反應。1-3(B) 1.什么反應體積？反應體積VR，是反應混合物在反應器中所占的體積，對于氣-固相催化或非催化反應，反應體積是反應器中顆粒床層的體積，它包括顆粒的體積和顆粒之間的空隙。2.什么是空間速度？什么是接觸時間？二者之間的關系？（1）空間速度（簡稱空速）（Space Velocity),以符號SV表示，是單體反應體積所能處理的反應混合物的體積流量。采用不含產物的反應混合物初態(tài)組成和ST

4、P狀況來計初態(tài)體積流量。以Vs0表示。當反應混合物進入及離開反應器的組成處于定值時?？臻g速率愈大，表明反應器的時空產率（Space Time Yield，STY）愈大。（2）空間速度SV的倒數(shù)定義為標準接觸時間0，即為反應體積VR與STP狀況初始反應混合物體積流量Vso之比，即 0=1/SV=VR/Vs0               VR與進口壓力、溫度下初始反應混合物體積流量V0之比，稱為接觸時間，              即  

5、  =VR/V0。（3）兩者的關系即為 =Vs0 /(SV*V0)3.在什么情況下，平均停留時間與接觸時間相等？停留時間分布的測定是在流體不存在溫度及組成變化的等容情況下進行，此時平均停留時間tm可按反應體積VR和等容情況下反應混合物的體積流量V0來計算，即tm=VR/V0。此時平均停留時間和接觸時間相等。1-4(B). 可逆放熱反應的最佳溫度和最佳溫度曲線是什么？最佳溫度：對于某一可逆放熱反應，在一定的反應物系組成下，具有最大反應速率的溫度稱為相應于這個組成的最佳溫度。最佳溫度曲線:由相應于各轉化率的最佳溫度所組成的曲線，稱為最佳 溫度曲線。    &

6、#160;                可通過實驗測定和理論計算得到。第二章2-1(B)1.固體催化劑的主要成分包括什么？ 活性成分（金屬、金屬氧化物）催化作用助催化劑（結構性、調變性）提高催化劑活性、選擇性、穩(wěn)定性載體（負載型催化劑）（氧化鋁、二氧化硅、活性炭、硅膠、硅藻土等）承載活性組分和助催化劑，增大表面積，提高活性、選擇性、穩(wěn)定性（載體和活性組分產生協(xié)同效應）2.表征固體催化劑孔結構的參數(shù)有哪些？內表面積、孔容積Vg、孔隙率、催化劑固相的真密度t、催化劑顆粒表觀密度或假密度p、堆積密度或床層密度

7、b、床層空隙率。3.活性位理論是什么？活性位理論：活性位只占催化劑內表面積的很小一部分，在組成固體催化劑微晶的棱、角或突起部位上，由于價鍵不飽和而具有剩余力場，能將周圍氣相中的分子或原子吸收到處于這些部位的活性位上，即化學吸附作用。2-2(B)1.氣固相催化反應本征動力學包括哪幾個過程？反應物被分布在催化劑表面上的活性物質吸附，成為活性吸附態(tài)；活性吸附態(tài)組分在催化劑活性表面上進行反應，生成吸附態(tài)產物；吸附態(tài)產物從催化劑活性表面上脫附。2.建立理想吸附等溫方程的三個基本要點是什么？催化劑表面是均勻的，即具有均勻的吸附能力，每個活性位都有相同的吸附熱和吸附活化能；吸附分子之間沒有相互作用；吸附和脫

8、附可以建立動態(tài)平衡。氣-固相催化反應過程由反應物在催化劑表面上的活性位上的化學吸附、活性吸附態(tài)組分在表面上進行反應和產物脫附三個串聯(lián)的步驟組成，其基礎為化學吸附（化學吸附由固體表面與吸附分子間化學鍵產生；有顯著選擇性；單分子層；熱效應與反應熱同數(shù)量級；被吸附分子結構發(fā)生變化，成為活性態(tài)吸附分子，活化能低。）2-3（B）1.氣固相催化反應的宏觀過程是由哪些步驟組成的？氣固相催化反應的宏觀過程由外擴散（反應物）-內擴散（反應物）-化學反應-內擴散（產物）-外擴散（產物）組成。外擴散（反應物）:反應物從氣流主體擴散到催化劑顆粒的外表面；內擴散（反應物）:反應物從外表面向催化劑的孔道內部擴散；化學反應

9、:在催化劑內部孔道內組成的內表面上進行催化反應；內擴散（產物）:產物從催化劑內表面擴散到外表面；外擴散（產物）:產物從外表面擴散到氣流主體。2.內擴散有效因子的物理意義是什么？它數(shù)值的大小說明什么？物理意義：內擴散有效因子（內表面利用率）：等溫催化劑單位時間內顆粒中的實際反應量與按外表面反應組分濃度及顆粒內表面積計算的反應速率之比。在定態(tài)下，單位時間內從催化劑顆粒外表面由擴散作用進入催化劑內部的反應組分量與單位時間內整個催化劑顆粒中實際反應的組分量相等，因此，內擴散有效因子也可表示為按反應組分外表面濃度梯度計算的擴散速率與按反應組分外表面濃度及內表面積計算的反應速率。數(shù)值大?。旱臄?shù)值一般在（0

10、,1）之間。的數(shù)值越接近于1，說明顆粒內部反應物濃度越接近外表面濃度，內擴散影響因素越小。這時，催化劑顆粒越有“效率”。的數(shù)值越接近0，則正相反，說明催化劑顆粒效率較低。3.催化劑顆粒中，氣體的擴散形式有哪幾種？它們的判別條件是什么？擴散形式：分子擴散、努森擴散、構型擴散和表面擴散。判別條件：自由行程與孔半徑的相對大小分子擴散：孔半徑遠大于平均自由行程，即/2ra102，分子間的碰撞機率大于分子和孔壁的碰撞機率，擴散阻力主要來自分子間的碰撞，這種擴散稱之為分子擴散，分子擴散與孔徑無關。努森擴散：孔半徑遠小于平均自由行程，即/2ra10，分子和孔壁的碰撞機率大于分子間的碰撞機率，擴散阻力主要來自

11、分子和孔壁間的碰撞，這種擴散稱之為努森擴散。努森擴散與孔徑有關。構型擴散：當催化劑的孔半徑和分子大小的數(shù)量級相同時，即ra=0.510nm，分子在微孔中的擴散與分子構型有關，稱之為構型擴散。表面擴散：是吸附在催化劑內表面上的分子向著表面濃度降低的方向移動的遷移過程，高溫下可不考慮。4 .曲折因子的物理意義是什么？計算平行交聯(lián)孔結構的有效擴散系數(shù)時，因為小孔不可能相互平行，要交叉和相交，內壁不一定是光滑的，孔是彎曲的，并且有擴張和收縮等的變化。這些隨機出現(xiàn)的情況都不同于簡化平行孔模型所描述的孔結構。因此要加入曲折因子對理想情況進行修正使有效擴散系數(shù)計算公式適用于平行交聯(lián)孔模型。曲折因子由催化劑顆

12、粒的孔結構決定，須實驗測定，多在27之間。2-4(B)1.Thiele模數(shù)的物理意義是什么？它反映了不計入內擴散影響時的反應速率（即極限反應速率）與以cAS/Rp為濃度梯度的擴散速率之比值。值越大，擴散速率相對地越小，即內擴散的影響越嚴重，內擴散有效因子。2.Da準數(shù)的物理意義是什么?Da坦克萊(Damkolher)準數(shù)說明外擴散過程的影響，其物理意義為化學反應速率與外擴散傳質速率之比。第三章3-1（B）1.平推流和全混流反應器特點分別是什么？平推流反應器：平推流反應器是指物料的流動狀況符合平推流模型，該反應器稱為平推流反應器，常用PFR表示。平推流模型是一種理想流動模型.所以平推流反應器是一

13、種理想反應器。實際反應器中物料的流動，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。特點：物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動方向連續(xù)變化，不隨時間變化；任一截面上的物料參數(shù)相同，反應濃度只隨軸向變化；反應物料在反應器內停留時間相同，即反應時間相同；返混0全混流反應器：全混流反應器是指物料流動狀況符合全混流模型，該反應器稱為全混流反應器（CSTR）。在實際反應器中，連續(xù)攪拌釜式反應器由于強烈攪拌，物料混合均勻，其流動狀況接近全混流。特點：反應器內物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處的物料參數(shù)；物料參數(shù)不隨時間而變化；反應速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時間變化；返混2. 在

14、平推流和全混流反應器的計算公式中，什么時候可以認為接觸時間與平均停留時間相等？ 在等容過程下，接觸時間=VR/V0，此時可以認為接觸時間與平均停留時間相等。  3.請比較平推流反應器、全混流反應器和多級串聯(lián)全混流反應器反應推動力的大小。平推流反應器全混流反應器多級串聯(lián)全混流反應器反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低 反應推動力不變，等于出口處反應推動力 反應推動力呈階梯型遞減相對大小：CA平>CA多>CA全3-2（B）1.對于相同的反應、相同的進料流量和濃度、相同的溫度和最終轉化率，請分析對全混流反應器體積與平推流反應器體積之比值大小

15、的影響因素。對于相同的反應、相同的進料流量和濃度、相同的溫度和最終轉化率，全混流的反應器體積要大于平推流的反應器體積。主要因全混流反應器存在返混造成，影響因素主要有三點：(1)轉化率：轉化率越小，兩者體積差別越小，采用低轉化率操作，可減少返混帶來的影響。但原料得不到充分利用，可采用循環(huán)流程。(2)反應級數(shù)：反應級數(shù)越高，返混對反應的影響越嚴重。級數(shù)高的反應在生產中應注意減少返混。(3) 采用多級全混流反應器串聯(lián)操作可以減少返混，提高反應推動力，使差別減少。3-3（B）瞬時選擇率和總選擇率的關系是怎樣的？在平推流反應器和全混流反應器中分別怎么計算？瞬時選擇率 s (imtantaneous fr

16、actional)： 總選擇率 S (over-all fractional field)：二者的關系：S 是反應過程中瞬時選擇率s的平均值；在平推流反應器和全混流反應器中分別如下計算：平推流：                                 

17、                                全混流：                                     第四章4-1（B）停留時間分布函數(shù)F(t)和分布密度E(t)的定義是什么？二者之間的關系是怎樣的？停留時間分布函數(shù)：同一時刻離開反應器的物料中停留時間t的質點分率為停留時間分布函數(shù)；停留時間分布密度：同時進入反應器的N個流體質點中，停留時