反应工程习题-答案

1、61、在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应AB。试以产物B的浓度CB为纵座标，径向距离r为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B的浓度分布示意图。化学动力学控制外扩散控制内、外扩散的影响均不能忽略图中要示出CBG，CBS及CBe的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B的浓度，CBe是B的平衡浓度。如以产物A的浓度CA为纵座标,情况又是如何?解(1)以产物B的浓度为纵座标以产物A的浓度为纵座标6.3某催化剂，其真密度为3.600颗粒密度为165gcm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径解:6.13在150C,用半径100um的镍催化剂

2、进行气相苯加氢反应，由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,测得反应速率常数kp=5min-1,苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为02cm2/s,试问：在0.1Mpa下，要使n=08,催化剂颗粒的最大直径是多少？改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问的计算.改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6cm2/s.而反应速率常数保持不变，要使n=0.8，求催化剂颗粒的最大直径.解:用试差法从上二式可解得当n=0.8时，需dp=2Vg/Sg=58.3X10-8cm,入/2=8576,此值与10接近,故可近

3、似扩散是以奴森扩散为主：由(6.60)式算得n=04656.16在固定床反应器中等温进行一级不可逆反应,床内填充直径为6mm的球形催化剂，反应组分在其中的扩散系数为002cm2/s,在操作温度下，反应式速率常数等于001min-i,有人建议改有3mm的球形催化剂以提高产量，你认为采用此建议能否增产?增产幅度有多大?假定催化剂的物理性质及化学性质均不随颗粒大小而改变,并且改换粒度后仍保持同一温度操作解:故采用此建议产量的增加是很有限的，增产量为000037.3由直径为3mm的多孔球形催化剂组成的等温固定床，在其中进行一级不可逆反应，基于催化剂颗粒体积计算的反应速率常数为08s-i,有效扩散系数为

4、0.013cm2/s,当床层高度为加时，可达到所要求的转化率为了减小床层的压力降，改用直径为6mm的球形催化剂，其余条件均不变，流体在床层中流动均为层流，试计算:催化剂床层高度;床层压力降减小的百分率.解(1)求dp为6mm的床层高度L2,已知数据:dp1=3mm=0.3cm,dp2=0.6cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013cm2/s求床层压力降减小的百分率:假定床层的空隙率不变,则有:层流流动时:(1),(2)式联立:床层压力降减少的百分率为:7.6在绝热催化反应器中进行二氧化硫氧化反应，入口温度为420C,入口气体中SO2浓度为7%(mol);出口温度为590C,出口气

5、体中SO2含量为2.1%(mol),在催化剂床层内A,B,C三点进行测定.(1)测得A点的温度为620C,你认为正确吗?为什么？测得B点的转化率为80%,你认为正确吗?为什么？测得C点的转化率为50%,经再三检验结果正确无误，估计一下C点的温度.解(1)绝热床内的温度是呈线性上升的,出口处温度最高,床内任一点温度不可能高于出口温度，故620C是不可能的.出口处SO2的转化率为(0.07-0.021)X100%/0.07=70%.床层内部任一点处转化率不可能高于70%,故转化率为80%是不可能的.入厶XA,590-420=入X0.7入=(590-420)/0.7=242.86712图7.C和图7

6、.D分别为两个化学反应的T-X图，图中AB为平衡曲线,NP为最佳温度曲线,AM为等温线,GD为绝热线,GK为非绝热变温操作线,HB为等转化率线.(1)试比较这两个图的差异,并说明造成这些差异的根本原因.采用固定床反应器进行图7.C所示反应,分别按MA,GD和GK操作线操作,要求最终转化率达到50%,试比较这三种操作所需催化剂量的大小,说明原因.对图7.D所示的反应,重复(2)的比较.对于(2)和(3)的比较结果,你认为是普遍规律呢还是个别情况.解:(1):图7CT升高，平衡转化率减小有最佳温度曲线绝热操作线斜率为正非绝热变温操作线有热点图7DT升高，平衡转化率增大无最佳温度曲线绝热操作线斜率为

7、负非绝热变温操作线有”冷点”造成以上差异的根本原因是：图7.C是可逆放热反应的X-T关系，而图7.D是可逆吸热反应的X-T关系.因是可逆放热反应,操作线接近T线的程度越大，催化剂用量越小，从图7.C看,在转化率从0到50%这一范围内,MA线最接近T曲线，所以等温操作所需OP催化剂最少，绝热操作(GD线)居中，非绝热变温操作(GK线)催化剂用量最大.对图7.D,是吸热反应,反应温度高则催化剂用量小，从图7.D看,GK线的操作温度最高,催化剂用最最小,绝热操作居中,等温操作温度最低,因而催化剂用量最大.等温操作线的位置(即等温操作所维持的温度)对(2),(3)的比较结果有很大影响,例如图7.C的等

8、温操作线MA左移(即降低等温操作的操作温度)，它与TOP曲线的接近程度就会发生变化,与GD线和DK线相比,在转化率0到50%范围内MA线不一定最接近TOP线，因而不一定是等温操作所需催化剂用量最小对图7.D,如果等温操作线MA右移，即提高等温操作的温度，可使MA,GD和GK各线的操作温度的高低顺序发生变化.另外,如果最终转化率不是50%,例如是70%,对图7.C,在反应后期(即转化率接近70%的部分)最接近TOP线的是GD线,绝热操作的催化剂用量最小(反应后期接近TOP线的程度对催化剂用量大小起关键作用.所以说,(2),(3)比较结果,并非普遍规律.7.15常压下用直径为6mm的球形氧化铝为催

9、化剂进行乙腈合成反应,操作条件与习题7.10同,此时内扩散影响不能忽略,而外扩散影响可不计,氧化铝的物理性质如下:孔容045cm/g,颗粒密度11g/cm3,比表面积180m/g,曲节因子等于3.2.试计算第一段的催化剂用量.解:rA-反应速率?kmol/m3粒子hPb-颗粒密度,kg/m3粒子rA=pbX3.08X104exp(-7960/T)(1-XA)kmol/hm3粒子，而rA=kpCA=kpCA0(1-XA)T0/T,kp是以颗粒体积计的反应速率常数,因此，代入数据得:化简之题给:Vg=045cm3/gSg=180m2/g=180X104cm2/g平均孔径vra=2V/Sg=2X0.

10、45/180X104=5X10-7cm常压下气体分子运动的平均自由程近似等于10-5cm,因此,入/2vra=10-5/(2X5X10-7)=10,可见以努森扩散为主，乙炔分子量为26,故:由7.10题解知，第一段绝热热线方程是T=770.4+171.5xA进口处6=469.5(770.4Mexp(-3980/770.4)=14.11出口处可见，第一段床层各处内扩散影响严重，因此有n=1第一段催化剂用量:0计算得到xa与f(XA)的一系列数值如下：故有:w2=2209X0.4212=9.304KgXA00.050.100.150.200.250.300.3067T(K)770.4779787.

11、6796804.7813.3821.9823F(XA)hkg/kmol14.0313.9914.0114.1014.2314.4414.7414.79图解积分求得：(710)题已算出FA0=22.09kmol/h,因此有:W=2209X4.311=95.23Kg710在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:设原料气的摩尔比为C2H2:NH3:H2=1:2.2:1，采用三段绝热式反应器，段间间接冷却,使每段出口温度均为550C,而每段入口温度亦相同，已知反应速率式可近似地表示为：式中XA为乙炔的转化率，液体的平均热容为5二128K，如要求乙炔转化率达到92%,并且日产乙腈20吨,问需催化剂量多少?解

12、:以A表示乙炔，C在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的p视为相等,对每一段均有:依题意，各段进出口温度相等即各段AT相等，所以各段转化率差AXa亦相等，因此有:XA=1/3X0.92=0.3067各段AT为：T=1715AXa=1715X0.3067=5259K因而各段进口温度=823-5259=7704K各段进出口温度和转化率如下表所列:段数进口出口T(K)XAT(K)XA一一770.408230.3067二770.40.30678230.6134三770.40.61348230.92第一段T=7704+1715AXak=308X104exp(-7960/T)Xa00.050.1

13、00.150.200.250.300.3067T770.4779787.6796804.7813.3821.9823k1.0031.1241.2571.401.5581.7291.9151.9411k(1-XA)0.9970.93650.88390.840.80320.77110.74590.7431图解积分求得：因此河产2209X0.2576=5.690Kg第二段,T=7704+1715(Xa-03067)XA0.30670.350.400.450.500.550.600.613T770.4777.8786.8794.9803.6812.1820.7823k1.0031.1071.2381.

14、3781.5371.7051.8591.9411/k(1-XA)1.4381.3891.2471.3181.31010.3031.3231.333第三段,T=7704+1715(Xa-06134)Xa0.60340.650.700.750.800.850.900.92T770.4776.7785.2793.8802.4810.9819.5823k1.0031.0911.2191.3601.5141.6801.8651.9411/k(1-XA)2.5792.6192.7352.9413.3033.9685.3626.440w3=22.09X1.04=22.96Kg催化剂总重量=569+9304+2296=3795Kg8.2用12M的氨水吸收某生产装置出口气中的二氧化喘，当气流主体中二氧化碳分压为1.013X10-3Mpa时,该处的二氧化碳吸收速率为多少？已知:液相中CO2和NH3的扩散系数均为3.5X10-5CM/S，二级反应速率常数为