反應(yīng)工程習(xí)題答案

1、（1）優(yōu)學(xué)動(dòng)力學(xué)控制2）外擴(kuò)散揑制內(nèi)外擴(kuò)敬均不陡忽略CBeCBcH=fCBsCBGCBeCBcCSsCG（2）以產(chǎn)物A的濃度為縱座標(biāo)61、在半徑為R的球形催化劑上，等溫進(jìn)行氣相反應(yīng)AB。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(duì)下列三種情況分別繪出產(chǎn)物B的濃度分布示意圖。（1）化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制（2）外擴(kuò)散控制（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(duì)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，CB是B的平衡濃度。如以產(chǎn)物A的濃度CA為Be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)CB4-cb|ICB|I八|6.3某催化劑，其

2、真密度為360g/cm3,顆粒密度為165g/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:由p=p（1，8）,得w=0.542ptpp由=2s/Sp,得=656Aaprpa由v=s/p=0.542/1.65=0.328cm3/g催化劑6.13在l5oC,用半徑100pm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(guò)剩,可將該反應(yīng)按一級(jí)（對(duì)苯）反應(yīng)處理,在內(nèi),外擴(kuò)散影響已消除的情況下,測(cè)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02cm2/s,試問(wèn):在01Mpa下，要使n=08,催化劑顆粒的最大直徑是多少？改在202Mpa下操作,并假定苯

3、的有效擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比,重復(fù)上問(wèn)的計(jì)算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)10-6cm2/s而反應(yīng)速率常數(shù)保持不變，要使n=o8,求催化劑顆粒的最大直徑.解:k，01076p(1)，気D由660)式r1*tanh(3)3丿用試差法從上二式可解得當(dāng)n=08時(shí)，需dp=2Vg/Sg=583X10-8cm,此8值.與51706接,近,故可近似擴(kuò)散是以奴森擴(kuò)散為主=970058.310，8(530+273)/58=2.10410亠cm2/sDe=Ds/t=2.6x10-3cm2/skpm=1.736&=0.5/094x12e=62.6x10-3式算得n在固定床反應(yīng)器中等溫進(jìn)行一級(jí)

4、不可逆反應(yīng)床內(nèi)填充直徑為的球形催化劑反應(yīng)組分在其中的擴(kuò)散系數(shù)為在操作溫度下反應(yīng)式速率常數(shù)等于有人建議改有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Idkd=0.6cm，Q=6pJ=0.02887弭=0.9995,d=03cm，Q=001444,耳=0.9998故采用此建議產(chǎn)量的增加是很有限的，增產(chǎn)量為算.算算算37.3由直徑為3的的的多孔球形催化劑組成的等溫固定床,在其中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)基于催化劑顆粒體積計(jì)算的反應(yīng)速率常數(shù)為有效擴(kuò)散系數(shù)為當(dāng)床層高度為時(shí)可達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率為了減小床層的壓

5、力降,改用直徑為6的的的球形催化劑,其余條件均不變,流體在床層中流動(dòng)均為層流試計(jì)算催化劑床層高度;床層壓力降減小的百分率.解(1)求dp為6mm的床層高度L2,已知數(shù)據(jù):dp=3mm=03cm，dp2=06cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013cm2/sLV1r1LV2r2i0L0392220.013求得耳0.9212F,xAf-1dxAoo耳RA,LrJAFJxAfdxAo0耳RA2A10.3_1PX13De3求得耳0.7562:.LL22(2)求床層壓力降減小的百分率:Lpu2(1-)Apf,Apfd32p1假定床層的空隙率不變,則有：ApfLd11p2ApfLd22p1層

6、流流動(dòng)時(shí)：f150150XRe1-卩dupp0X蠶X22-43mLpu2(1_)20d3p2L二d/dfp2p12(1),(2)式聯(lián)立:(d丫pd“dp1”AnLdd1p2p2ApLddL2p1p12床層壓力降減少的百分率為: HYPERLINK l bookmark34糾-Ap23.225-10.689968.99%Ap3.2250.6/2丫3.2252.43“0.3/2”76在絕熱催化反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化硫氧化反應(yīng)，入口溫度為420C,入口氣體中SO2濃度為7%(mol);出口溫度為590C,出口氣體中SO2含量為21%(mol),在催化劑床層內(nèi)A,B,C三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定.測(cè)得A點(diǎn)的溫度為620

7、C,你認(rèn)為正確嗎?為什么？測(cè)得B點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率為80%,你認(rèn)為正確嗎?為什么？測(cè)得C點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率為50%,經(jīng)再三檢驗(yàn)結(jié)果正確無(wú)誤，估計(jì)一下C點(diǎn)的溫度.解(1)絕熱床內(nèi)的溫度是呈線性上升的,出口處溫度最高,床內(nèi)任一點(diǎn)溫度不可能高于出口溫度，故620C是不可能的.出口處SO2的轉(zhuǎn)化率為(007-0021)X100%/0.07=70%床層內(nèi)部任一點(diǎn)處轉(zhuǎn)化率不可能高于70%,故轉(zhuǎn)化率為80%是不可能的.t=AXA,590-420=入X入圖和圖分別為兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)的圖圖中為平衡曲線為最佳溫度曲線為等溫線為絕熱線為非絕熱變溫操作線為等轉(zhuǎn)化率線0*501.00試比較這兩個(gè)圖的差異并說(shuō)明1采用固定他應(yīng)器進(jìn)行圖所示反應(yīng)

8、分別按要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到試，匕較這三種操作所需催化劑量的大小說(shuō)明原因?qū)D對(duì)于和解:(1):和操作線操作0.50所示的反應(yīng)目重復(fù)的比較的比較結(jié)果你認(rèn)為是普遍規(guī)律呢還是個(gè)別情況圖升高平衡轉(zhuǎn)化率減小有最佳溫度曲線絕熱操作線斜率為正非絕熱變溫操作線有熱點(diǎn)造成以上差異的根本原因是:圖是可逆吸熱反應(yīng)的關(guān)系(2因)是可逆放熱反應(yīng),操作線接近看在轉(zhuǎn)化率從到這一范圍內(nèi)催化劑最少絕熱操作線居中非絕圖升高平衡轉(zhuǎn)化率增大無(wú)最佳溫度曲線絕熱操作線斜率為負(fù)非絕熱變溫操作線有”冷點(diǎn)”是可逆放熱反應(yīng)的關(guān)系而圖線的程度越大,催化劑用量越小,從圖線最接近曲線所以等溫操作所需耳變溫操作線催化劑用量最大(3)對(duì)圖7D,是吸熱反應(yīng),反

9、應(yīng)溫度高則催化劑用量小，從圖7.D看,GK線的操作溫度最高,催化劑用最最小,絕熱操作居中,等溫操作溫度最低,因而催化劑用量最大等溫操作線的位置(即等溫操作所維持的溫度)對(duì)(2),(3)的比較結(jié)果有很大影響，例如圖7.C的等溫操作線MA左移(即降低等溫操作的操作溫度)，它與TOP曲線的接近程度就會(huì)發(fā)生變化，與GD線和DK線相比，在轉(zhuǎn)化率0到50%范圍內(nèi),MA線不一定最接近TOP線，因而不一定是等溫操作所需催化劑用量最小對(duì)圖7D,如果等溫操作線MA右移，即提高等溫操作的溫度，可使MA,GD和GK各線的操作溫度的高低順序發(fā)生變化.另外,如果最終轉(zhuǎn)化率不是50%,例如是70%,對(duì)圖7.C,在反應(yīng)后期(

10、即轉(zhuǎn)化率接近70%的部分)最接近TOp線的是GD線,絕熱操作的催化劑用量最小(反應(yīng)后期接近TOp線的程度對(duì)催化劑用量大小起關(guān)鍵作用.所以說(shuō),(2),(3)比較結(jié)果,并非普遍規(guī)律.7.15常壓下用直徑為6mm的球形氧化鋁為催化劑進(jìn)行乙腈合成反應(yīng),操作條件與習(xí)題7.10同,此時(shí)內(nèi)擴(kuò)散影響不能忽略,而外擴(kuò)散影響可不計(jì),氧化鋁的物理性質(zhì)如下:孔容045cm3/g,顆粒密度1.1g/cm3,比表面積180m2/g，曲節(jié)因子等于3.2.試計(jì)算第一段的催化劑用量.解:rA-反應(yīng)速率,kmol/m3粒子hpb-顆粒密度,kg/m3粒子rA=pbX308X104exp(-7960/T)(1-XA)kmol/hm

11、3粒子，而rA=kpCA=kpCA0(1-XA)T0/T,kp是以顆粒體積計(jì)的反應(yīng)速率常數(shù),因此,P(1x)x3.08X104exp(7960/T)AC(1，x)T/TA0A0(1，X)P40T)4RTT0P竺X3.08X104exp(7960/T)h，1pp401100kg/M3y401+22+1p101325PatP(1x)x3.08x104exp(7960/T)p4R8.314x103Pa-m3/kmol-K代入數(shù)據(jù)得:k1100p8.314X103X3.08X104exp(7960/T)s，1BiX101325化簡(jiǎn)之k1167x107Texp(7960/T)h-13242x103Tex

12、p(7960/T)s-1題給:Vg=0.45cm3/gSg=180m2/g=180X104cm2/g平均孔徑=2V/S=2X0.45/180X104=5X10-7cmgg常壓下氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程近似等于10-5cm,因此，入/2=10-5/(2X5X10-7)=10，可見以努森擴(kuò)散為主,乙炔分子量為26,故：D=97005xlXjTTIS=951110，Tcm2/ss=Vp=04511二0.495t=32pgpms0495De=-pD=32951110，T=147110，Tcm2/smR咗=033242I。3T呵(，3980/T)=469.5T“exp-3980/T)3De3147110

13、-4T1/4由710題解知，第一段絕熱熱線方程是T=7704+1715xA=469.5(7704/4exp(-3980/770.4)=14.11進(jìn)口處出口處=4695(7704+171.50.3067)exp-3980/(7704+171.50.3067)=19.96TOC o 1-5 h z可見，第一段床層各處內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重，因此有n(P第一段催化劑用量：w=FJ03067丄dx=FJ0.3067Ldx1A00耳rAA001A0ArA104exp(-7960/T)(1-x)XAFf0.30=74695Ti/4exp(-3980/T)A003.08_f0.30670.0152T1/4exp(3

14、980/T)水0(1-x)dAAw=Ff0.3067f(x)dx1A00AA令(x)=o0卩；4呵980/t)則A(1-x丿A計(jì)算得至UXA與f(XA)的一系歹U數(shù)值如下：XA00.050100150200250300.3067T(K)770.4779787.679680478133821.9823F(XJhkg/kmol14.0313.9914.0114.1014.2314.4414.7414.79圖解積分求得:f0.3067f(x)dx=4.311hkg/kmol0AA(710)題已算出FA0=22.09kmol/h,因此有：w1=22.09X4311=9523Kg7110在氧化鋁催化劑上

15、進(jìn)行乙腈的合成反應(yīng):CH+NHCHCN+H“H=-92.2kJ/mol設(shè)原料氣的摩爾比為C2h2：NH3：H2=1:22:1,采用三段絕熱式反應(yīng)器，段間間接冷卻,使每段出口溫度均為550C,而每段入口溫度亦相同，已知反應(yīng)速率式可近似地表示為:r，k(1-x)kmolCH/kghk，3.08x104exp(7960/T)AA22式中Xa為乙炔的轉(zhuǎn)化率，液體的平均熱容為J=1288/K，如要求乙炔轉(zhuǎn)化率達(dá)到92%,并且日產(chǎn)乙腈20噸,問(wèn)需催化劑量多少?20 x1020 x103解:以A表示乙炔，F(xiàn)，22.09kmol/h4024xMx0.9224x41x0.92乙腈C在熱衡算中忽略反應(yīng)過(guò)程總摩爾數(shù)

16、的變化，并把各段的Cp視為相等，對(duì)每段均有：(-AH)j人r40AXCApFCAT=(-AH)FAx(AH)F(AH)F則有：AT=r40Ax=r40AFC4CF4tppt0-AH，922kJ/mol，9.22x104J/molrAT，19.22x104Ax，1715Ax1+2.2+112844依題意，各段進(jìn)出口溫度相等即各段AT相等，所以各段轉(zhuǎn)化率差A(yù)Xa亦相等，因此有：Xa=1/3X0.92=0.3067A各段AT為：T=1715AXa=1715X0.3067=5259K因而各段進(jìn)口溫度=823-52.59=7704K各段進(jìn)出口溫度和轉(zhuǎn)化率如下表所列：段數(shù)進(jìn)口出口T(K)XAT(K)XA一

17、-770.408230.3067二二770.40.306782306134三770.406134823092第一段T=770.4+1715AXAk=308X104exp(-7960/T)Xa00.050100150200250300.3067T770.4779787.679680478133821.9823k1.0031.1241.2571401.5581.7291.9151.9411/k(1-Xa)0.9970.93650.88390840.8032077110745907431w,fJ0.3067dx，22.09J0.3067(1_)dx1400r40k(1-x丿444圖解積分求得:J03

18、067dx4，0.25760k(1x)4因此那產(chǎn)22.09X0.2576=5690Kg第二段,T=770.4+1715(Xa-0.3067)Xa030670350400450500550600.613T770.4777878687949803.68121820.7823k1.0031.1071.2381.3781.5371.7051.8591.9411/k(1-XA)1.4381.3891.2471.3181.31010.3031.3231.333,0.61341dx0.42120.3067k(1一x)AA故有:w2=22.09X0.4212=9304Kg2第三段,T=7704+1715(Xa-0.6134),O.920.6134dxk(1-x)AA1.04w3=22.09X1.04=22.96Kg催化劑總重量=5.69+9.304+22.96=37.95KgXA0.60340650700750.800.85090092T770.4776.7785.2793.8802.4810.9819.5823k1.0031.0911.2191.3601.5141.6801.8651.9411/k(1-XA)2.5792.6192.7352.9413.3033.9685.3626.4408.2用1.2M的氨水吸收某生產(chǎn)裝置出口氣中的二氧化喘，當(dāng)氣流主體中二氧化碳分壓為