反應(yīng)工程習(xí)題--答案(共10頁(yè))

1、6.1、在半徑為R的球形催化劑上，等溫進(jìn)行氣相反應(yīng)。試以產(chǎn)物B的濃度CB為縱座標(biāo)，徑向距離r為橫座標(biāo)，針對(duì)下列三種情況分別繪出產(chǎn)物B的濃度分布示意圖。（1） 化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制（2） 外擴(kuò)散控制（3） 內(nèi)、外擴(kuò)散的影響均不能忽略圖中要示出CBG，CBS及CBe的相對(duì)位置，它們分別為氣相主體、催化劑外表面、催化劑顆粒中心處B的濃度，CBe是B的平衡濃度。如以產(chǎn)物A的濃度CA為縱座標(biāo),情況又是如何?解(1)以產(chǎn)物B的濃度為縱座標(biāo)(2)以產(chǎn)物A的濃度為縱座標(biāo)6.3 某催化劑,其真密度為3.60g/cm3,顆粒密度為1.65g/cm3,比表面積為100m2/g.試求該催化劑的孔容,孔隙率和平均孔半徑.解:

2、6.13 在150,用半徑100m的鎳催化劑進(jìn)行氣相苯加氫反應(yīng),由于原料中氫大量過(guò)剩,可將該反應(yīng)按一級(jí)(對(duì)苯)反應(yīng)處理,在內(nèi),外擴(kuò)散影響已消除的情況下,測(cè)得反應(yīng)速率常數(shù)kp=5min-1, 苯在催化劑顆粒中有效擴(kuò)散系數(shù)為0.2cm2/s,試問(wèn):(1) 在0.1Mpa 下,要使=0.8,催化劑顆粒的最大直徑是多少?(2) 改在2.02Mpa下操作,并假定苯的有效擴(kuò)散系數(shù)與壓力成反比,重復(fù)上問(wèn)的計(jì)算.(3) 改為液相苯加氫反應(yīng),液態(tài)苯在催化劑顆粒中的有效擴(kuò)散系數(shù)10-6 cm2/s.而反應(yīng)速率常數(shù)保持不變,要使=0.8,求催化劑顆粒的最大直徑.解:用試差法從上二式可解得當(dāng)=0.8時(shí),需dp<

3、6.36cm(2)2.02Mpa時(shí),De0.2×0.101/2.02=0.01 cm2/s,與此相對(duì)應(yīng):同上法可求得當(dāng)=0.8時(shí),需dp<1.42cm (3)液相反應(yīng)時(shí),De=1×10-6cm2/s,與此相應(yīng)的為21.51dp,同上法可求得當(dāng)=0.8時(shí),需dp<0.0142cm.6.14 一級(jí)不可逆反應(yīng)A B,在裝有球形催化劑的微分固定床反應(yīng)器中進(jìn)行溫度為400等溫,測(cè)得反應(yīng)物濃度為0.05kmol/m3時(shí)的反應(yīng)速率為2.5 kmol/m3床層min ,該溫度下以單位體積床層計(jì)的本征速率常數(shù)為kv=50s-1 ,床層孔隙率為0.3,A的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.03cm

4、2/s,假定外擴(kuò)散阻力可不計(jì),試求:(1) 反應(yīng)條件下催化劑的內(nèi)擴(kuò)散有效因子(2) 反應(yīng)器中所裝催化劑顆粒的半徑實(shí)驗(yàn)測(cè)得(-RA)=0.0417 kmol/sm3床層,解上二式得=0.0167,可見內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重.由=1/=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反應(yīng)器所裝催化劑的顆粒半徑為3.69cm.6.15 在0.10Mpa,530進(jìn)行丁烷脫氫反應(yīng),采用直徑5mm的球形鉻鋁催化劑,此催化劑的物理性質(zhì)為:比表面積120m2/g,孔容0.35cm3/g,顆粒密度1.2g/cm3,曲節(jié)因子3.4.在上述反應(yīng)條件下該反應(yīng)可按一級(jí)不可逆反應(yīng)處理,本征反應(yīng)速率常數(shù)為0.94cm3

5、/gs,外擴(kuò)散阻力可忽略,試求內(nèi)擴(kuò)散有效因子.解:丁烷分子量為58,=10-5cm,<ra>=2Vg/Sg=58.3×10-8cm, /2<ra>=8.576,此值與10接近,故可近似擴(kuò)散是以奴森擴(kuò)散為主:由(6.60)式算得=0.465.6.16 在固定床反應(yīng)器中等溫進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),床內(nèi)填充直徑為6mm的球形催化劑,反應(yīng)組分在其中的擴(kuò)散系數(shù)為0.02cm2/s,在操作溫度下,反應(yīng)式速率常數(shù)等于0.01min-1,有人建議改有3mm的球形催化劑以提高產(chǎn)量,你認(rèn)為采用此建議能否增產(chǎn)?增產(chǎn)幅度有多大?假定催化劑的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)均不隨顆粒大小而改變,并且改換

6、粒度后仍保持同一溫度操作.解:故采用此建議產(chǎn)量的增加是很有限的，增產(chǎn)量為0.00037.3 由直徑為3mm的多孔球形催化劑組成的等溫固定床,在其中進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng),基于催化劑顆粒體積計(jì)算的反應(yīng)速率常數(shù)為0.8s-1,有效擴(kuò)散系數(shù)為0.013cm2/s,當(dāng)床層高度為2m時(shí),可達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率.為了減小床層的壓力降,改用直徑為6mm的球形催化劑,其余條件均不變,流體在床層中流動(dòng)均為層流,試計(jì)算:(1) 催化劑床層高度;(2) 床層壓力降減小的百分率.解(1)求dp為6mm的床層高度L2,已知數(shù)據(jù):dp1=3mm=0.3cm,dp2=0.6cm,L1=2m,kp=0.8s-1,De=0.013c

7、m2/s(2)求床層壓力降減小的百分率:假定床層的空隙率不變,則有:層流流動(dòng)時(shí):(1),(2)式聯(lián)立:床層壓力降減少的百分率為:7.6 在絕熱催化反應(yīng)器中進(jìn)行二氧化硫氧化反應(yīng),入口溫度為420,入口氣體中SO2濃度為7%(mol);出口溫度為590,出口氣體中SO2含量為2.1%(mol) ,在催化劑床層內(nèi)A,B,C三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定.(1) 測(cè)得A點(diǎn)的溫度為620,你認(rèn)為正確嗎?為什么?(2) 測(cè)得B點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率為80%,你認(rèn)為正確嗎?為什么?(3) 測(cè)得C點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率為50%,經(jīng)再三檢驗(yàn)結(jié)果正確無(wú)誤,估計(jì)一下C點(diǎn)的溫度.解(1)絕熱床內(nèi)的溫度是呈線性上升的,出口處溫度最高,床內(nèi)任一點(diǎn)溫度不可能高于出

8、口溫度,故620是不可能的.(2)出口處SO2的轉(zhuǎn)化率為(0.07-0.021)×100%/0.07=70%.床層內(nèi)部任一點(diǎn)處轉(zhuǎn)化率不可能高于70%,故轉(zhuǎn)化率為80%是不可能的.(3)t=XA, 590-420=×0.7 =(590-420)/0.7=242.867.12 圖7.C和圖7.D分別為兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)的T-X圖,圖中AB為平衡曲線,NP為最佳溫度曲線,AM為等溫線,GD為絕熱線,GK為非絕熱變溫操作線,HB為等轉(zhuǎn)化率線.(1)試比較這兩個(gè)圖的差異,并說(shuō)明造成這些差異的根本原因.(2)采用固定床反應(yīng)器進(jìn)行圖7.C所示反應(yīng),分別按MA,GD和GK操作線操作,要求最終轉(zhuǎn)化

9、率達(dá)到50%,試比較這三種操作所需催化劑量的大小,說(shuō)明原因.(3)對(duì)圖7.D所示的反應(yīng),重復(fù)(2)的比較.(4)對(duì)于(2)和(3)的比較結(jié)果,你認(rèn)為是普遍規(guī)律呢還是個(gè)別情況.解:(1):圖7.C 圖7.DA.T升高,平衡轉(zhuǎn)化率減小 T升高,平衡轉(zhuǎn)化率增大B.有最佳溫度曲線 無(wú)最佳溫度曲線C.絕熱操作線斜率為正 絕熱操作線斜率為負(fù)D.非絕熱變溫操作線有熱點(diǎn) 非絕熱變溫操作線有”冷點(diǎn)”造成以上差異的根本原因是:圖7.C是可逆放熱反應(yīng)的X-T關(guān)系,而圖7.D是可逆吸熱反應(yīng)的X-T關(guān)系.(2)因是可逆放熱反應(yīng),操作線接近TOP線的程度越大,催化劑用量越小,從圖7.C看,在轉(zhuǎn)化率從0到50%這一范圍內(nèi),

10、MA線最接近TOP曲線,所以等溫操作所需催化劑最少,絕熱操作(GD線)居中,非絕熱變溫操作(GK線)催化劑用量最大.(3)對(duì)圖7.D,是吸熱反應(yīng),反應(yīng)溫度高則催化劑用量小,從圖7.D看,GK線的操作溫度最高,催化劑用最最小,絕熱操作居中,等溫操作溫度最低,因而催化劑用量最大.(4)等溫操作線的位置(即等溫操作所維持的溫度)對(duì)(2),(3)的比較結(jié)果有很大影響,例如圖7.C的等溫操作線MA左移(即降低等溫操作的操作溫度),它與TOP曲線的接近程度就會(huì)發(fā)生變化,與GD線和DK線相比,在轉(zhuǎn)化率0到50%范圍內(nèi),MA線不一定最接近TOP線,因而不一定是等溫操作所需催化劑用量最小.對(duì)圖7.D,如果等溫操

11、作線MA右移,即提高等溫操作的溫度,可使MA,GD和GK各線的操作溫度的高低順序發(fā)生變化.另外,如果最終轉(zhuǎn)化率不是50%,例如是70%,對(duì)圖7.C,在反應(yīng)后期(即轉(zhuǎn)化率接近70%的部分)最接近TOP線的是GD線,絕熱操作的催化劑用量最小(反應(yīng)后期接近TOP線的程度對(duì)催化劑用量大小起關(guān)鍵作用.所以說(shuō),(2),(3)比較結(jié)果,并非普遍規(guī)律.7.15 常壓下用直徑為6mm的球形氧化鋁為催化劑進(jìn)行乙腈合成反應(yīng),操作條件與習(xí)題7.10同,此時(shí)內(nèi)擴(kuò)散影響不能忽略,而外擴(kuò)散影響可不計(jì),氧化鋁的物理性質(zhì)如下:孔容0.45cm3/g,顆粒密度1.1g/cm3,比表面積180m2/g,曲節(jié)因子等于3.2.試計(jì)算第

12、一段的催化劑用量.解:rA-反應(yīng)速率,kmol/m3粒子h b-顆粒密度,kg/m3粒子rA=b×3.08×104exp(-7960/T)(1-XA) kmol/hm3粒子,而rA=kpCA=kpCA0(1-XA)T0/T,kp是以顆粒體積計(jì)的反應(yīng)速率常數(shù),因此,代入數(shù)據(jù)得:化簡(jiǎn)之題給: Vg=0.45 cm3/g Sg=180m2/g=180×104cm2/g平均孔徑<ra>=2Vg/Sg=2×0.45/180×104=5×10-7cm常壓下氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程近似等于10-5cm,因此,/2<ra>=1

13、0-5/(2×5×10-7)=10,可見以努森擴(kuò)散為主,乙炔分子量為26,故:由7.10題解知,第一段絕熱熱線方程是T=770.4+171.5xA進(jìn)口處出口處可見,第一段床層各處內(nèi)擴(kuò)散影響嚴(yán)重,因此有0=1/第一段催化劑用量:計(jì)算得到XA與f(XA)的一系列數(shù)值如下:XA00.050.100.150.200.250.300.3067T(K)770.4779787.6796804.7813.3821.9823F(XA)hkg/kmol14.0313.9914.0114.1014.2314.4414.7414.79圖解積分求得:(7.10)題已算出FA0=22.09 kmol/

14、h,因此有:w1=22.09×4.311=95.23 Kg7.10在氧化鋁催化劑上進(jìn)行乙腈的合成反應(yīng):設(shè)原料氣的摩爾比為C2H2:NH3:H2=1:2.2:1,采用三段絕熱式反應(yīng)器,段間間接冷卻,使每段出口溫度均為550,而每段入口溫度亦相同,已知反應(yīng)速率式可近似地表示為:式中為乙炔的轉(zhuǎn)化率,液體的平均熱容為,如要求乙炔轉(zhuǎn)化率達(dá)到92%,并且日產(chǎn)乙腈20噸,問(wèn)需催化劑量多少?解:以A表示乙炔,在熱衡算中忽略反應(yīng)過(guò)程總摩爾數(shù)的變化,并把各段的視為相等,對(duì)每一段均有:依題意,各段進(jìn)出口溫度相等即各段T相等,所以各段轉(zhuǎn)化率差XA亦相等,因此有:XA=1/3×0.92=0.3067

15、各段T為: T=171.5XA=171.5×0.3067=52.59K因而各段進(jìn)口溫度=823-52.59=770.4K各段進(jìn)出口溫度和轉(zhuǎn)化率如下表所列:段數(shù)進(jìn)口出口T(K)XAT(K)XA一770.408230.3067二770.40.30678230.6134三770.40.61348230.92第一段T=770.4+171.5XA k=3.08×104exp(-7960/T)XA00.050.100.150.200.250.300.3067T770.4779787.6796804.7813.3821.9823k1.0031.1241.2571.401.5581.729

16、1.9151.9411/k(1- XA)0.9970.93650.88390.840.80320.77110.74590.7431圖解積分求得:因此,w1=22.09×0.2576=5.690 Kg第二段,T=770.4+171.5(XA-0.3067)XA0.30670.350.400.450.500.550.600.613T770.4777.8786.8794.9803.6812.1820.7823k1.0031.1071.2381.3781.5371.7051.8591.9411/k(1- XA)1.4381.3891.2471.3181.31010.3031.3231.333故有:w2=22.09×0.4212=9.304 Kg第三段,T=770.4+171.5(XA-0.6134)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=22.09×1.04=22.96 Kg催化劑總重量=5.69+9.304+22.96=37.95 Kg8.2 用1.2M的氨