《催化反应工程》试题

1、硕士催化反应工程试题注意：每大题各20分，第一至第四大题必做，第五、第六大题任选一题。一、独立反应数与独立反应1说明反应体系的独立反应数与其原子矩阵和化学计量系数矩阵秩的关系；独立反应数 = 反应组分(n) - 原子矩阵的秩(R)独立反应数 = 化学计量系数矩阵的秩(R)2以甲烷为原料通过变换反应制造合成气时，反应体系中包含以下组分：CO2、H2、CO、CH4、H2O、N2，确定反应系统的独立反应数，并写出一组独立反应。=CO2H2COCH4H2ON002 HCON对原子矩阵进行列变换之后：=H2CH4CON2H2OC0200 HCON由此得原子矩阵的秩(R) = 4独立反应数 = 反应组分(

2、n) - 原子矩阵的秩(R) = 6 4 = 2选定CH4和CO为关键组分，则得出反应方程式为：CH4+2H2OCO2+4H2CO+H2OCO2+H2二、催化反应本征动力学很多研究者对在氧化铁催化剂上进行的逆变换反应CO2+H2=CO+H2O进行了研究，并提出了各自的动力学方程。试分析下述动力学方程各代表什么样的反应机理。1此过程为催化剂表面吸附态的反应物及产物之间的表面化学反应所控制，其中H2和H2O不被催化剂所吸附。反应机理如下：（1） CO2 + M CO2M（2） CO2M + H2 H2 O+ COM（3） COM CO + M推导过程如下：CO2的吸附脱附达平衡：r1=ka,co2

3、pco2v-kd,co2co2=0， 则：co2=ka,co2kd,co2pco2vCO的吸附脱附达平衡：r3=ka,copcov-kd,coco=0， 则：co=ka,cokd,copcov催化剂表面：v+co2+co=1，解得v=11+ka,co2kd,co2pco2+ka,cokd,copco化学反应控制，则：r2=-dpco2dt=kco2pH2-kpH2Oco=kka,co2kd,co2pco2vpH2-kpH2Oka,cokd,copcov将v的值带入，化简得：r2=kka,co2kd,co2pco2pH2-kka,cokd,copH2Opco1+ka,co2kd,co2pco2+

4、ka,cokd,copco令KCO2=ka,co2kd,co2，KCO=ka,cokd,co，k=kKCO2，KP=kKCO2kKCO则可以得：2此过程为催化剂表面吸附态的反应物及产物之间的表面化学反应所控制，其中H2不被催化剂所吸附，CO2占据3个活性吸附位， H2 O占据2个活性吸附位。反应机理如下：（1） CO2 + M 3 (CO2)1/3M（2） 3 (CO2)1/3M + H2 2 (H2 O)1/2M + COM（3） H2 O + M 2 (H2 O)1/2M（4） COM CO + M推导过程如下：CO2的吸附脱附达平衡：r1=ka,co2pco2v3-kd,co2co23=

5、0， 则：co2=3ka,co2kd,co2pco2vH2 O的吸附脱附达平衡：r3=ka,H2OpH2Ov2-kd,H2OH2O2=0， 则：H2O=ka,H2Okd,H2OpH2OvCO的吸附脱附达平衡：r4=ka,copcov-kd,coco=0， 则：co=ka,cokd,copcov催化剂表面：v+co2+co+H2O=1解得：v=11+3ka,co2kd,co2pco2+ka,H2Okd,H2OpH2O+ka,cokd,copco化学反应控制，则：r2 = -dpco2dt =kco23pH2-kH2O2co=kka,co2kd,co2pco2v3pH2-kka,H2Okd,H2O

6、pH2Ov2ka,cokd,copcov将v的值带入，化简得：r2=kka,co2kd,co2pco2pH2-kka,H2Okd,H2Oka,cokd,copH2Opco1+3ka,co2kd,co2pco2+ka,H2Okd,H2OpH2O+ka,cokd,copco3令K3=ka,co2kd,co2，K1=ka,cokd,co，K2=ka,H2Okd,H2O，k=kK3，KP=kK1K2kK3则可以得： 三、传质过程对反应的影响在固定床反应器中进行A的一级不可逆分解反应，催化剂为直径6mm的球形颗粒，床层的空隙率为0.5，操作压力0.1013MPa，温度500，气相主体中反应组分A的摩尔分

7、率yAg=0.5。已知单位体积床层的反应速率常数为0.333s-1，组分A在催化剂颗粒内的有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m/h。计算：1 催化剂的等温内部效率因子，并判断内部传质的影响是否严重；解：有效扩散系数De = 0.00296 cm2/s2=R32kcAn-11-De则：R3kcAn-11-De=310-330.333cA1-11-0.50.0029610-4=1.5则：i=31tanh-1=31.51tanh4.5-11.50.52则：i2=0.521.52=1.17由此，0.16i2c时，则热不稳定；反之，可得热稳定条件1，则A0，B0，内扩散使得反应选择性变差；当K1，则A0，B0，则-dcPdcA大小取决于A和B两项的相对大小，其中，若要使得-dcPdcA0，则可计算出条件KcPScPS+cA