《催化反应工程》试题

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(Rβ)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。β对原子矩阵进行列变换之后：β由此得原子矩阵的秩(Rβ)=4独立反应数=反应组分(n)-原子矩阵的秩(Rβ)=6–4=2选定CH4和CO为关键组分，则得出反应方程式为：CHCO+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：CO2+M→CO2·MCO2·M+H2→H2O+CO·MCO·M→CO+M推导过程如下：CO2的吸附脱附达平衡：rCO的吸附脱附达平衡：r催化剂表面：θ化学反应控制，则：r将θvr令K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，H2O占据2个活性吸附位。反应机理如下：CO2+M→3(CO2)1/3·M3(CO2)1/3·M+H2→2(H2O)1/2·M+CO·MH2O+M→2(H2O)1/2·MCO·M→CO+M推导过程如下：CO2的吸附脱附达平衡：rH2O的吸附脱附达平衡：rCO的吸附脱附达平衡：r催化剂表面：θ解得：θ化学反应控制，则：r将θvr令K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。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=0.00296cm2/sϕ则：ϕ≐则：η则：η由此，0.16<ηiϕ2催化剂外表面的浓度cAs，并判断外部传质的影响是否严重；外扩散传质系数：kg=40m/h气相浓度c单位体积催化剂的外表面积a=一级反应：η由Da很小且ηe接近与1，此时催化剂外表面的浓度cAs：c表观反应速率。r四、催化反应器分析1．建立管式固定床反应器的二维数学模型；管式固定床反应器管径大和反应热效应大时，管中心和管壁温度差别较大，造成径向上存在较大反应速率和反应物浓度上的差别，因此建立其二维数学模型，考虑从轴向和径向的浓度分布以及温度分布。选微元：管式反应器轴心线为中心线，半径为r，径向厚度为dr轴向高度为dz的环状微元体。物料衡算：（轴向进出）进：2πrdr·ucA出：2πrdr·u（cA+∂C（径向进出）进：-2πrdz·Der∂出：-2π(r+dr)dz·Der（∂CA∂r微元体反应量：2πrdrdzρ(-rA)定态操作条件下：进微元体的量–出微元体的量=微元体中反应量(2πrdr·ucA)+(-2πrdz·Der∂CA∂r)-[2πrdr·u（cA+∂CA∂zdz）]-[-2π(r+dr)dz·Der（∂CA∂r+化简得到：u∂CA∂z=Der(∂2CA∂r2同理可推导出能量衡算式：uρRcP∂T∂z=λer(∂2T∂r2+1r∂T∂r2．试讨论管式固定床反应器的热稳定性条件及其允许的最大温度差和允许管径。反应器的热稳定性，即要保证反应器产热速率和移热速率相当，以保证反应器在热定态下进行。针对产热大的反应则要求移热线斜率足够大，即反应器应具有足够大的换热面。针对简单反应，进行径向热量衡算：-边界条件：r=0r=Rλθ=-δ=-T-Tw所以：1则得：-边界条件：ρ=0ρ=1当δ>δ由此计算，R当δc=2.0时，可得θ五、催化剂的内部效率因子计算式推导在球形催化剂颗粒上进行等温一级可逆反应A=P，动力学方程为rA=k1cA-k2cP。试推导该催化剂等温内部效率因子计算式。六、传质过程对选择性的影响试分析内部传质过程对串联反应A→P→R的中间产物P的选择性影响。分析:球形等温物料衡算得知：DD边界条件：r=0由物料衡算式子可以得到A和P的浓度分布，