第7章化学反应工程习题答案.doc

第7章化学反应工程习题答案7-1 试述物理吸收与化学吸收的区别。解：对于物理吸收过程对于化学吸收过程,式中，其中为化学平衡常数；为吸收剂中的活性组分浓度；是与A组分分压平衡的气体浓度；-A组分溶解度系数。从以上两式可以看出物理吸收和化学吸收区别如下：1物理吸收气体溶解度与气体压力呈正比关系，化学吸收呈渐近线关系，当分压较高时，气体溶解度趋近化学计量的极限，因此为了减低能耗，导致操作方式不同，压力较低宜采用化学吸收，压力较高宜采用物理吸收。2热效应不同，物理吸收热效应较小，每摩尔数千焦耳，而化学吸收可达数万焦耳。导致吸收剂的再生方式不同，物理吸收过程吸收剂减压再生为主，化学吸收过程的吸收剂再生除减压外还需加热。3物理吸收选择性主要体现各种气体在溶解度系数的差异，而化学吸收取决于，由于化学反应特定性，吸收选择性不同。化学吸收选择性高于物理吸收。 7-2解释下列参数的物理意义：无因次准数、增大因子及液相利用率。分别写出一级不可逆和二级不可逆反应无因次准数的计算式。解：无因次准数的物理意义增大因子的物理意义为液相利用率的物理意义为对于一级不可逆反应对于二级不可逆反应7-3 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应，假定液相上方水蒸气分压可不计，试按双膜模型绘出气相及液相二氧化碳浓度分布示意图。气模 液膜解：PCO2,iPCO2,gCCO2,iCCO2,L7-4应用双模理论对下列情况分别绘出气相及液相中反应物及反应产物浓度分布示意图：（1）反应两种气体、被同一吸收剂S同时吸收，的吸收是的中速反应，的吸收是慢；（2）反应两种气体、被同一吸收剂同时吸收，的吸收是气膜控制的瞬间反应，的吸收是慢速反应。CS,L气模 液膜解：（1）PA,gCS,iCA,iPA,i气模 液膜PB,gCS,LPB,iCB,i(2)气模 液膜PA,gCA,iCS,LCS,i气模 液膜PB,gPB,iCB,iCS,LCB,L07-5 一级不可逆反应过程，已知，试讨论：（1） 反应速率常数高于什么数值时，将是膜中进行的快反应过程；低于什么数值时，将是液流主体中进行的慢反应。（2） 如果。试问达到多大以上反应方能在液流主体中反应完毕，此时传质表面上的平均液膜厚度将是多少？（3） 如果，试求和。解：(1)当时将是在膜中进行的快反应过程，即，解当时将是在膜中进行的快反应过程，即，解（2）当时反应方能在液流主体中反应完毕，由于即，此时，上式可以简化为,。 （3），此时满足，所以 或带入原公式7-6 对于不可逆一级快速反应过程，试讨论温度和浓度对吸收速率的影响。解：气-液反应它与均相反应有着根本不同的特性，气-液反应必须首先通过气体的溶解，然后与液相中的反应物进行反应，因此它是气体的溶解和与液相反应的一种总和。对于不可逆一级快速反应过程，其吸收速率温度对吸收速率的影响：气体溶解绝大多数为放热过程，即随着温度升高溶解度系数降低，使气体在气-液界面浓度降低，温度提高使反应速率常数和扩散系数增加，因此温度对气-液吸收速率的影响吸收速率取决于反应速率常数、扩散系数和气体溶解度的此消彼涨，例如氨水碳化过程的实验数据表明：温度对它们的影响刚好对消，因此吸收速率与温度无关。反应物浓度的影响：反应物浓度升高通常会是反应速率加快，但是当反应物浓度增高时，溶液中反应物和生成物浓度都随之升高，气体在液相中的溶解度系数降低，并且溶液浓度的增加会使溶液粘度增大，导致扩散系数和传质系数降低，因此对于大多数气-液反应系统，存在一个最佳浓度。7-7在20下用的缓冲溶液吸收二氧化碳分压力为0.01的气体，已知，若反应可视为拟一级不可逆反应，气膜传质阻力可以忽略不计，试求吸收速率。解：属于持液大的拟一级慢反应，此时由于气膜传质阻力可以忽略不计，因此气相主体二氧化碳分压等于气液界面分压。吸收速率7-8 用来吸收压力的，该反应为极快的不可逆反应，为了使吸收过程以最快的速率进行。试问吸收时的浓度最低应为多少？试求吸收速率。已知数据：，解：反应方程式为：为了使吸收过程以最快速率进行，硫酸浓度必须达到临界浓度。吸收速率7-9 用吸收气体中的，分压为0.005，溶液中的浓度为0.5，如果，二级反应速率常数，,试求吸收速率；并判断是否可用拟一级反应模型计算？解：对于二级不可逆反应:首先按气流主体二氧化氮分压计算二氧化氮在气-液界面值，如果按此值计算值已经很大，那么实际还会更大。由上述计算可知：,因此可用拟一级反应模型计算。此时此吸收过程为不可逆反应，液流主体中二氧化氮平衡分压为零吸收速率为 其中，带入数据得：，7-10 气体中在mm塔中被30的氨水鼓泡吸收，含量由10降低至1，气量（STP）为6500，设氨水游离氨为0.3，操作压力0.56（绝压），反应过程可视为虚拟一级不可逆反应，设氨水的二级反应速率常数，鼓泡层液相混合均匀，试求鼓泡层的和该塔所需净有效高度。已知：，氨水物性：，。 解：按气相为平推流、液相为全混流的简化模型考虑，折合成反应条件下氨气的加料速率为 表观气速 气泡直径按计算 气含率按计算，对电解质经试差解得 比表面积 由题可知，此二级反应可按拟一级反应处理； 由M值不能判断该反应特征，需要进一步判别。 所以总传质系数计算：，不可逆反应，忽略压力沿塔高的变化，用下式计算鼓泡反应器液位高度：将上述值代入式（7-35）计算鼓泡塔高度 其中 进口气相浓度（空气），出口气相浓度故 鼓泡层高度 7-11在400等温滴流床反应器中进行加氢脱硫反应，氢气的纯度为90（其余为惰性气体）于3.0下进入反应器，流量为36。该反应对氢气为一级，对含硫化合物为零级，反应速率常数等于2.510-5，所用催化剂直径4，曲节因子为1.9，颗粒密度为1600,空隙率为0.45，堆密度为960 。反应器直径为2，床层压降为210-2。已知氢在液相中扩散系数=710-9，气膜阻力可以忽略，=510-6, =310-5,氢气的溶解度系数。试计算氢的转化率达5时所需催化剂床层高度。若不考虑反应器内压力变化，而按进口压力计算，催化剂床层高度为多少？解：由于该反应为一级反应，按照题意可知反应速率方程为： （1）将上式可以转化为： （2）用此式计算催化剂床层高度。设、分别进口气体摩尔流量、氢气进口摩尔流量及在床层高度处摩尔流量。床层高度处的压力为： （3） (4)根据理想气体状态方程，将（3）、（4）式代入得： (6)把（6）代入式(2)得： (7)将（7）式积分得： (8)整理得： (9)式中为催化剂床层高度，由式(9)可以看出，要想求出,首先计算值，宏观反应速率常数可由式(10)求得： （10）由上式看出未知，可按前面章节的方法求出。梯尔模数 式中