反应工程习题--答案 - 图文

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。 （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

(2)以产物A的浓度为纵座标

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:

由?p??t(1??p),得?p?0.542由?ra??2?p/Sr?p,得?ra??65.6A6.13 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,

由Vg??p/?p?0.542/1.65?0.328cm3/g催化剂

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0.2cm2/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 cm2/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:

(1)??dp6kpDe?0.1076dp用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需dp<6.36cm

(2)2.02Mpa时,De≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm2/s,与此相对应:

1?11?由(6.60)式????=??????tanh?3??3???

dp6kpDe

同上法可求得当η=0.8时,需dp<1.42cm

(3)液相反应时,De=1×10-6cm2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需dp<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/m3时的反应速率为2.5 kmol/m3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为kv=50s-1 ,床层孔隙率为0.3,A的有效扩散系数为0.03cm2/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

???0.418dp解:kpVp?kvVBkp?kvVBVB1?kv?kv?71.43???l/sVpVB?V?1??kpDe?8.13dp??dp6实验测得(-RA)=0.0417 kmol/s﹒m3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120m2/g,孔容0.35cm3/g,颗粒密度1.2g/cm3,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0.94cm3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.

??RA???kvCAS???50?0.05????kmol/s?m3床层

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:

Dk?9700?58.3?10?8?530?273?/58?2.104?10?2cm2/s

De?Dk?p/?m?2.6?10?3cm2/s0.50.94?1.2???1.736?362.6?10

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

-1

率常数等于0.01min,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:

dp?0.6cm,??dpkp

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

6Dedp?0.3cm,??0.01444,??0.9998?0.02887,??0.9995,1dxA0L1Vr1?1RA?2???x1AfL2Vr2FdxA?1A0?0?2RAFA0?xAfR1kp10.30.8?1????0.39223De320.013求得?1?0.92R2kp10.60.8?2????0.78453De320.013求得?2?0.756(2)求床层压力降减小的百分率:

?10.92?L2?L1??2?2.43m?20.756

假定床层的空隙率不变,则有:

22L1?u01???L2?u0??1????p1?f1,?????p?f22dp1?3dp2?3

层流流动时:

?p1f1L1dp2?????????????????????????????????????????????p2f2L2dp1

1501??f??150??Redpu0??f1?dp2/dp1?????????????????????????????????????????(2)f2

2L1?dp2?2?0.6/2?????3.225?????L2?dp1?2.43?0.3/2?

2(1),(2)式联立:

?p1L1dp2dp2??p2L2dp1dp1床层压力降减少的百分率为:

?p1??p23.225?1??0.6899?68.99%?p13.225

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SO2浓度为7%(mol);出口温度为590℃,出口气体中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△XA, 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.

(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TOP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TOP曲线,所以等温操作所需催化剂最少,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

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