第五章 气固相催化动力学例题.doc

第五章 气固相催化动力学例题1. 用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应 A(g) R(g) 整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方程？（20分）解：三步阻力：气膜，孔隙，表面应力。控速步骤：气膜，表面应力，（吸附，反应，脱附）-rA = kg(CAg - CAS) = ksCASn = kCAn 2. Giving the gaseous reactant A through a gas film a rate equation Answer : -rA = kg (CAg-CAS )3. Try to give the reaction on the surface of a solid according to a irreversible first order rate answer : -rA = k CAS = kCA 催化剂有效因数， CA 孔内催化剂平均浓度。4. Explaining the Thiele modulus.answer : s = L L-催化剂特征长度， kv-一级反应以催化剂孔体积为基准的速度常数。De-孔内反应物的有效扩散系数。s-高代表催化剂的孔隙阻力大。5. What seeps are the reaction processes of a solid catalyzed reaction included.Answer: 1)反应物过气膜到催化剂表面扩散2）反应物过孔隙到催化剂孔内扩散3）反应物在内孔表面上的反应（内表面过程）4）产物过孔隙反向扩散到外表面5）产物过气膜反向扩散到气流主体。1、 用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应 A(g) R(g) 整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方程？（20分）解：三步阻力：气膜，孔隙，表面应力。控速步骤：气膜，表面应力，（吸附，反应，脱附）-rA = kg(CAg - CAS) = ksCASn = kCAn 2、 Giving the gaseous reactant A through a gas film a rate equation Answer : -rA = kg (CAg-CAS )3. Try to give the reaction on the surface of a solid according to a irreversible first order rate answer : -rA = k CAS = kCA 催化剂有效因数， CA 孔内催化剂平均浓度。6. Explaining the Thiele modulus.answer : s = L L-催化剂特征长度， kv-一级反应以催化剂孔体积为基准的速度常数。De-孔内反应物的有效扩散系数。s-高代表催化剂的孔隙阻力大。7. What seeps are the reaction processes of a solid catalyzed reaction included.Answer: 1)反应物过气膜到催化剂表面扩散2）反应物过孔隙到催化剂孔内扩散3）反应物在内孔表面上的反应（内表面过程）4）产物过孔隙反向扩散到外表面5）产物过气膜反向扩散到气流主体。6机理方程推导在Pd/-催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为：(A) (B) (C) (E) (F)在115,=200mmHg, =92mmHg时测得实验数据为 Hg 70 100 195 247 315 465/ 3.9 4.4 6.0 6.6 7.25 5.4设想反应机理为：试写出机理方程，并用上述实验数据验证符合与否解： 由控速步骤可以写出速率方程式：而 上四式代入中有：而所以 因此初始时无可逆反应，初始速率方程变为：在已知是上式可以变为： 式中： ， , 将方程线性化，有： 即数据处理：=4.24 4.77 5.70 6.12 6.59 9.28以对作图。符合直线关系，说明反应机理可能正确。 7 丁醇-1催化脱水反应，经研究可知表面反应为控诉步骤，其速率式为： mol/ 动力学常数确定。式中：为逸度。求常数和. 部分实验数据：P（） 1.5 46.5 91.5 384.5 731.5 0.27 0.51 0.76 0.76 0.52 1.0 0.88 0.74 0.43 0.46解： 15 40.92 67.71 165.335 328.21 7.45 8.96 9.44 14.75 25.12因为 即符合直线关系：截距为6.7斜率为0.056即 （A）=0.056 （B），(A)(B)= 所以8 .西勒模数与有效因数某一气固相催化反应，在500的催化剂粒子中，速率方程为：mol/s式中- atm, A为确定组分。 若催化剂粒子为圆柱形高直径=0.50.5粒子密度为0.8g/粒子外表面上A的分压=0.1atm,粒子内的扩散系数=0.25,求：希勒模数与有效因数?若催化剂粒径变为0.1和1.0时，希勒模数与有效因数如何变化？解：变换动力学方程求 =7.5=7.5RT=(7.50.8820.6773) =380.5, (mol/c)所以=380.65催化剂特征长度L=0.083希勒模数=3.243 为强内扩散阻力有效因数 ，粒度改变时为0.1和1.0时 弱内扩散阻力=1， 强内扩散阻力=0.1539. 球形催化剂=2.4，=5，有效扩散系数=0.4kcal/hmk气膜传热系数h=40kcal/hmk气膜传质系数=300，反应效应=-40.气流主体A的浓度（1，336）.表观反应速率为。（一级反应）。 求：（1）膜传质阻力的大小对反应的影响。（2）是否存在扩散阻力？（3）通过颗粒和气膜的温度变化。解：根据传质方程（1） 过气膜传质。或=（2），过孔传质比表观速率大很多，可忽略气膜的传质。根据判别式 强内扩散阻力（3），非等温颗粒计算：当=0时说明催化剂粒子温度均匀。10今有起相反应，气相中A的分压为0.0563使用温度510.R的分压为0.0219，总压为0.1.实验测得催化剂粒度与表观速率常数的关系为： 0.045 0.133 0.43 0.54 1.8 0.45 0.36 0.27催化剂颗粒内等温，,求催化剂有效因数及扩散系数解： 当=0.045时，可记为，这时，其它粒度下的有效因数 ，在较大粒度下可记为有强内扩散阻力代入（A）中即解之第五章习题1.证明在某催化剂上的氢气和甲苯发生如下不可逆气相催化反应：其反应机理为：甲苯吸附，氢不吸附，表面反应控速。本征动力学方程为2.证明气固相催化反应在强内扩散阻力时，其反应速率之比与催化剂粒径成反比，即.而与有效因数成反比3.有一平行反应（目的），都为一级反应，其=10，今在？催化剂颗粒上反应，有较强的内扩散阻力，试求R的瞬时选择性比原内扩散阻力时下降了多少？4.在催化剂上发生如下氧化反应：,催化剂粒度=1.8。气相温度=90,催化剂颗粒表面温度,有效扩散系数，氧在催化剂上的摩尔分数为=0.0527，总压=1.013，氧的有效扩散系数。在实验条件下外扩散阻力可以忽略不计。实验测得当颗粒直径为1.86时，反应速率为2.35，当颗粒粉碎到250目时已排除了内扩散影响，此时测得的反应速率为2.77，催化剂颗粒密度。该反应的活化能为21.8975.热效应（放热），求：（1）催化剂的有效因数（2）催化剂中的最大温差（3）希勒模数5.在没有内扩散阻力时，特定的一级气相反应在1400和时反应速率为，为保证孔扩散阻力不影响反应速率，问该用多大的催化剂颗粒？ 第六章 例题与习题1.在一个粒径为1.5cm的催化剂固定床反应器中进行反应，催化剂的有效扩散系数，催化剂的密度为，反应为一级，本征速率常数为2.0，进料体积流量为，转化率为95%。床层的密度1000kg/,求所需催化剂的重量。解： （强内扩散阻力） （） (kg)2.在一个试验的填充床固定床反应器中，用固定的进料速率和不同的固体催化剂量测得反应AR的动力学数据如下：W (Kg) 1 2 3 4 5 6 7 0.12 0.20 0.27 0.33 0.37 0.41 0.44求（1）转化率为40%时的反应速率。（2） 进料速率为的大填充度达到40%时需要多少催化剂？（3） 如果采用大量循环的反应器操作，仍满（2）的进料和转化率的要求，需要多少催化剂？解：当定义反应速率时，假设流经固定床为平推流，则对某一微元段衡算积分，也可用求反应速率即 1 2 3 4 5 6 7 0.12 0.20 0.27 0.33 0.37 0.41 0.44 1.2 0.8 0.7 0.6 0.4 0.4 0.3(1)40%转化率时反应速率为0.4（2）所以=6=240(3) 大量循环时满足全混流操作，对反应器衡算有所以 3、 什么是拟均相一维模型和拟均相二维模型?试给出拟均相一维模型在绝热条件下的绝热温升,物料蘅算和热量蘅算式?同时给出反应器体积的计算方法?(10分) 解：忽略了轴向的温度变化和径向的温度变化为均相模型（等温） 忽略了径向的温度变化和相间的浓度变化与温度变化为拟均相一维模型。 考虑径向和轴向的温度变化而忽略相间梯度为拟均相二维模型。 绝热温升. T = T0 + V=4在装有1粒径为3的催化剂，体积为960的兰式反应器中，于0.8压力，700下进行气固相催化反应的动力学实验。用纯A进料以不同的流率加到反应器中测得各种进料速率下出口物料中A的分压，数据如下： 100 22 4 1 0.6 0.8 0.5 0.2 0.1 0.05求催化反应速率式5. 试给出流化床反应器的一般结构示意图，标明用途，综述流化