文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

6.1、在半径为R 的球形催化剂上,等温进行气相反应?A B 。试以产物B 的浓度C B 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。 (1) 化学动力学控制 (2) 外扩散控制

(3) 内、外扩散的影响均不能忽略

图中要示出C BG ,C BS 及C Be 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,C Be 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

反应工程习题--答案

(2)以产物A 的浓度为纵座标

反应工程习题--答案

6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,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:

=-=<>=<>====3(1),0.5422/,65.6/0.542/1.650.328/p t p p a p r p a g p p r S r A

V cm g ρρεεερερ由得由得由催化剂

6.13 在150℃,用半径100μm 的镍催化剂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k p =5min -1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm 2/s,试问:

(1) 在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少?

(2) 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.

(3) 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10-6 cm 2/s.

而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解

:

()=

反应工程习题--答案

=??

- ? ???(1)0.107611tanh 33p

d φηφφφ1由(6.60)式=

用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p <6.36cm

(2)2.02Mpa 时,De ≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm 2/s,与此相对应

:

=

反应工程习题--答案

=0.418p

d φ

同上法可求得当η=0.8时,需d p <1.42cm

(3)液相反应时,De=1×10-6cm 2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p <0.0142cm.

6.14 一级不可逆反应

A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m 3时的反应速率为 2.5 kmol/m 3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v =50s -1 ,床层孔隙率为0.3,A 的有效扩散系数为0.03cm 2/s,假定外扩散阻力可不计,试求:

(1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) 反应器中所装催化剂颗粒的半径

()===== --=

=-==?? ?31

71.43/18.13500.05/p v B B B v

反应工程习题--答案

v v p B p

A v AS V k V V V k k k l s V V V d R k C kmol s m εεφηηp p 解:k k 床层

实验测得(-R A )=0.0417 kmol/s ﹒m 3床层,

解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重.

由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒半径为3.69cm.

6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m 2/g,孔容0.35cm 3/g,颗粒密度1.2g/cm 3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm 3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.

解:丁烷分子量为58,λ=10-5cm,=2Vg/Sg=58.3×10-8cm,

λ/2=8.576,此值与10接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主:

反应工程习题--答案

--

=??=?22

970058.310 2.10410/ k

D cm s

反应工程习题--答案

-

==?

==

32

/ 2.610/

1.736

k p m

De D cm s

ετ

φ

由(6.60)式算得η=0.465.

6.16 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0.02cm2/s,在操作温度下,反应式速率常数等于0.01min-1,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.

反应工程习题--答案

:

====

===

0.6,0.02887,0.9995,

0.3,0.01444,0.9998

p

p

d cm

d cm

φη

φη

故采用此建议产量的增加是很有限的,增产量为0.0003

7.3 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0.8s-1,有效扩散系数为0.013cm2/s,当床层高度为2m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:

(1)催化剂床层高度;

(2)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

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

001112

22100

211221

110.3922

30.92

10.7845

30.756

=====?====?==?

?求得求得Af

Af x A A

r A x r A A A

F dx L V R L V F dx R ηηηη?η?η

12120.922 2.430.756∴==?=L L m

ηη

(2)求床层压力降减小的百分率:

()()22

10201122

33

1211,--= =p p L u L u p f p f d d ρερεεε??

假定床层的空隙率不变,则有:

112

12221

= (1)p p f L d p p f L d ??

层流流动时:

01

212

1501150Re /(2)-==?∴

= p p p f d u f d d f εμ

ρ

(1),(2)式联立:

2

2

122

2112211

2120.6/2 3.2252.430.3/2????=

=== ? ? ???

??p p p p p p L d d d p L p L d d L d ??

床层压力降减少的百分率为:

121 3.2251

0.689968.99%3.225--===p p p ???

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420℃,入口气

体中SO 2浓度为7%(mol);出口温度为590℃,出口气体中SO 2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620℃,你认为正确吗?为什么? (2) 测得B 点的转化率为80%,你认为正确吗?为什么?

(3)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620℃是不可能的.

(2)出口处SO2的转化率为(0.07-0.021)×100%/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.

(3)△t=λ△X A, 590-420=λ×0.7 λ=(590-420)/0.7=242.86

7.12 图7.C和图7.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.

反应工程习题--答案

(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.

(2)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.

(3)对图7.D所示的反应,重复(2)的比较.

(4)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7.C 图7.D

A.T升高,平衡转化率减小 T升高,平衡转化率增大

B.有最佳温度曲线无最佳温度曲线

C.绝热操作线斜率为正绝热操作线斜率为负

D.非绝热变温操作线有热点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.

(2)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

OP

曲线,所以等温操作所需7.C看,在转化率从0到50%这一范围内,MA线最接近T

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.

(3)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.

(4)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的等温操作线MA左移(即降低等温操作的操作温度),它与T OP 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T OP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T OP 线的是GD 线,绝热操作的催化剂用量最小(反应后期接近T OP 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0.45cm 3/g,颗粒密度1.1g/cm 3,比表面积180m 2/g,曲节因子等于3.2.试计算第一段的催化剂用量.

解:r’A ----反应速率,kmol/m 3粒子﹒h ρb ----颗粒密度,kg/m 3粒子

r’A =ρb × 3.08×104exp(-7960/T)(1-X A ) kmol/hm 3粒子,而r’A =kpC A =kpC A0(1-X A )T 0/T,

kp 是以颗粒体积计的反应速率常数,因此,

()()

()()()

()

()4004000410

30331 3.0810exp 7960/1/1 3.0810exp 7960/13.0810exp 7960/1

1100/1013251 2.21

8.31410/--??-=--??- =

- =??- = =

=++=???p A p A A p A A A p

A p A t x T k C x T T

x T p T x RT T

RT

T h p kg M y p Pa

R Pa m kmol K ρρρρ

代入数据得:

()341

8.314101100 3.0810exp 7960/1

101325

1 2.21-?=??- ?++p k T T s

化简之

()()71311.16710exp 7960/ 3.24210exp 7960/--=?- =?- p k T T h T T s

题给: V g =0.45 cm 3/g S g =180m 2/g=180×104cm 2/g

平均孔径=2V g /S g =2×0.45/180×104=5×10-7cm

常压下气体分子运动的平均自由程近似等于10-5cm,因此,λ/2=10-5/(2×5×10-7)=10,可见以努森扩散为主,乙炔分子量为26,故:

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

()221/4

97005109.51110/0.45 1.10.495 3.2

0.4959.51110 1.47110/3.2

469.5exp 3980/3----=??=?==?= ===??=?= ==-k p g p m p k m D cm s

V De D cm s

R T T ερτετφ

由7.10A 进口处

()()1/4

469.5770.4exp 3980/770.414.11=-=φ 出口处

()()469.5770.4171.50.3067exp 3980/770.4171.50.306719.96

??=+?-+?=??φ

可见,第一段床层各处内扩散影响严重,因此有η0=1/φ 第一段催化剂用量:

()

()()

()

()

()()

()()0.3067

0.30671000

001/40.3067

04

1/40.3067

1/40.301001

11469.5exp 3980/3.0810exp 7960/10.0152exp 3980/10.0152exp 3980/1==- =?-- =- = =-?

???

令则A A A A

A

A

A A

A A

A A A A A

A w F dx F dx r r T T F dx T x T T dx x T T f x w F f x dx x ηφ

67?

反应工程习题--答案

()0.3067

4.311/= ??

A A f x dx h kg kmol

(7.10)题已算出F A0=22.09 kmol/h,因此有:

w 1=22.09×4.311=95.23 Kg

7.10在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:

2233292.2/+→+ =-r C H NH CH CN H H kJ mol ?

设原料气的摩尔比为C 2H 2:NH 3:H 2=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550℃,而每段入口温度亦相同,已知反应速率式可近似地表示为:

()4221/ 3.0810exp(7960/)=- ? =?-A A r k x kmolC H kg h k T

式中A x 为乙炔的转化率,液体的平均热容为128/=?p

C J mol K ,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:以A 表示乙炔,

3

020********.09/240.9224410.92??===????乙腈A F kmol h

M

在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的

p C 视为相等,对每一

段均有:

()()()()00000

44

:92.2/9.2210/19.2210171.51 2.21128

=----===-==??==++则有t p r A A r A r r A A A

A

A

t p

p

t p

r A A

F C T H F x H F H H y F T x

x

x

F C C F C H kJ mol J mol

T x x ??????????????

依题意,各段进出口温度相等即各段△T 相等,所以各段转化率差△X A 亦相等,因此有:

△X A =1/3×0.92=0.3067

各段△T 为: △T=171.5△X A =171.5×0.3067=52.59K 因而各段进口温度=823-52.59=770.4K

反应工程习题--答案

A

()0.3067

0.3067100

011

22.091==-?

?A A A

反应工程习题--答案

w F dx dx r k x 0.3067

0.2576

(1)=-?

A

A dx k x

因此,w 1=22.09×0.2576=5.690 Kg 第二段,T=770.4+171.5(X A -0.3067)

反应工程习题--答案

0.6134

0.3067

1

0.4212

(1)=-?

A A dx k x

故有:w 2=22.09×0.4212=9.304 Kg

反应工程习题--答案

0.92

0.61341

1.04

(1)=-?A A dx k x

w 3=22.09×1.04=22.96 Kg

催化剂总重量=5.69+9.304+22.96=37.95 Kg

8.2 用1.2M 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1.013×10-3Mpa 时,该处的二氧化碳吸收速率为多少?

已知:液相中

CO 2和NH

3的扩散系数均为3.5×10

-5cm 2/s,二级反应速率常数为38.6×105cm 3/mols,二氧化碳的溶解度系数为 1.53×10-10mol/cm 3Pa,k L =0.04cm/s,k G =3.22×10-10mol/cm 2sPa,相界面积a L =2.0cm 2/cm 3.

解:

333352

532103231021.01310 1.013101.2 1.2/ 1.210/3.510/38.610/1.5310/0.04/, 2.0/3.2210/-----=?=?===?==?=??=??= ==???AG B AL BL A L L G P MPa Pa C M mol l mol cm D D cm s k cm mol s H mol cm Pa k cm s a cm cm k mol cm s Pa

按拟一级反应处理,反应速率常数:

5331

238.610 1.210 4.632100.0410.06

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

反应工程习题--答案

--==???=?===八田数B L k k C s k 属于快速反应,其增大因子:10.06==β

反应工程习题--答案

因此:

()()*

*-=-=A G AG L

A

AG

AG R k p p k

p H β

亦即:

()

()

()****

**1031033

10823.2210 1.0131010.060.04 1.53105.23 1.013105.23 1.013108506.23

10.060.04850 1.53105.23310/----??-=???=??-??==-==???? =??AG AG AG AG AG A L A AG p p p p p Pa

R k p H mol cm s

β