1、6.1、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。（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，C BS 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，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(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
2、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),0.5422/6/.8/ptparagprSAVcmg催催6.13 在 150,用半径 100m 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 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 =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
3、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 =0.8,求催化剂颗粒的最大直径.解: (1)0.1766tanh3ppdkdDe催.=用试差法从上二式可解得当 =0.8 时,需 dp=2Vg/Sg=58.310-8cm, /2=8.576,此值与 10 接近,故可近似扩散是以奴森扩散为主: 8 29705.310273/58.104/kDcms33/26.4.6pmecs由(6.60)式算得 =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
4、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.解: 0.6,0.287,.95,3.14,ppdkdcmDe故采用此建议产量的增加是很有限的，增产量为 0.00037.3 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
5、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/s01122 1212.380.3930.9.6.7452013.75求 得求 得 AffxrAppFdLVRkDeR12.9.406Lm(2)求床层压力降减小的百分率: 210 023 31,p puLuffdd假定床层的空隙率不变,则有: 122pLf层流流动时: 012150Re/ (2)ppduf(1),(2)式联立: 2212
6、12 0.6/3.543ppLdd床层压力降减少的百分率为: 13.5.89.%2p7.6 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
7、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=X A, 590-420=0.7 =(590-420)/0.7=242.867.12 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 G
8、K 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.DA.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
9、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
10、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 的球形氧化铝为催化剂进行乙腈合成反应,操作条件与习题 7.10 同,此时
11、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 0.45cm3/g,颗粒密度 1.1g/cm3,比表面积 180m2/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/m3 粒子h b-颗粒密度 ,kg/m3 粒子rA= b3.08104exp(-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,40040410301.81exp796/3./.81exp796/1/ 032524/pApApAAtxTkCRTThkgMypPaRPamkolK
12、代入数据得: 3418.10.81ex796/0252 p TTs化简之 71311.6exp96/.20p0/ pkhs题给: Vg=0.45 cm3/g Sg=180m2/g=180104cm2/g平均孔径=2V g/Sg=20.45/180104=510-7cm常压下气体分子运动的平均自由程近似等于 10-5cm,因此,/2=10 -5/(2510-7)=10,可见以努森扩散为主,乙炔分子量为 26,故:7424423 1/441/49051/269.510/.40373exp980.26.5exp3980/170 kpg mkmpDTTcsVe TR TD由 7.10 题解知,第一段绝
13、热热线方程是 T=770.4+171.5xA进口处 /469.5./7出口处 .70.1.306exp980.417.503619. 可见,第一段床层各处内扩散影响严重,因此有 0=1/第一段催化剂用量: 0.3670.3671 1/40.3671/40.3671/4 0.319.5exp98/8760123/.5exp98/令 则 AAAA AAAA AAwFdFdrrTTxdfxwFfxd67计算得到 XA 与 f(XA)的一系列数值如下:XA 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.3067T(K) 770.4 779 787.6 796 804.7 813.
14、3 821.9 823F(XA)h kg/kmol14.03 13.99 14.01 14.10 14.23 14.44 14.74 14.79图解积分求得: 0.3674.31/Afxdhkgmol(7.10)题已算出 FA0=22.09 kmol/h,因此有:w1=22.094.311=95.23 Kg7.10 在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:233292./rCHNCHkJol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 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: 421/3.081exp(796
15、0/)AArkxmolCHkghT式中 为乙炔的转化率,液体的平均热容为 2/pJmolK,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, 30210210.9/4.94.乙 腈FklhM在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的 pC视为相等,对每一段均有: 0 004:92./9.21/1.07.5.8则 有tprAr rAAtppt pr AACTHFxHyFxxkJmolJolTx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=1/30.92=0.3067各段T 为: T=171.5 XA=
16、171.50.3067=52.59K因而各段进口温度=823-52.59=770.4K各段进出口温度和转化率如下表所列:进口 出口段数T(K) XA T(K) XA一 770.4 0 823 0.3067二 770.4 0.3067 823 0.6134三 770.4 0.6134 823 0.92第一段 T=770.4+171.5X A k=3.08104exp(-7960/T)0.3670.36711129A AwFdxdxrkXA 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.3067T 770.4 779 787.6 796 804.7 813.3 821.9 8
17、23k 1.003 1.124 1.257 1.40 1.558 1.729 1.915 1.9411/k(1- XA) 0.997 0.9365 0.8839 0.84 0.8032 0.7711 0.7459 0.7431图解积分求得: 0.3670.2576(1)Adxk因此,w 1=22.090.2576=5.690 Kg第二段,T=770.4+171.5(X A-0.3067)XA 0.3067 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.613T 770.4 777.8 786.8 794.9 803.6 812.1 820.7 823k 1.003 1.107
18、 1.238 1.378 1.537 1.705 1.859 1.9411/k(1- XA) 1.438 1.389 1.247 1.318 1.310 10.303 1.323 1.3330.613470.421()Adx故有:w 2=22.090.4212=9.304 Kg第三段,T=770.4+171.5(X A-0.6134)XA 0.6034 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.92T 770.4 776.7 785.2 793.8 802.4 810.9 819.5 823k 1.003 1.091 1.219 1.360 1.514 1.680 1.8
19、65 1.9411/k(1- XA) 2.579 2.619 2.735 2.941 3.303 3.968 5.362 6.4400.9261341.04(dxw3=22.091.04=22.96 Kg催化剂总重量=5.69+9.304+22.96=37.95 Kg8.2 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 1.01310-3Mpa 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 3.510-5cm2/s,二级反应速率常数为 38.6105cm3/mols,二氧化碳的溶解度系数为 1.5310-10mol/cm3Pa,kL=0.04cm/s,kG=3.2210-10mol/cm2sPa,相界面积 aL=2.0cm2/cm3.解: 33523210323101.01.0./8.6/5.4/,./3/AGBLALLGPMPaCmololcmDcsklHPacscmols按拟一级反应处理,反应速率常数: 53312 58.6.04.60:/2./.40.6八 田 数 BALkCsMkD属于快速反应,其增大因子: 1.因此:*AGLAAGGRkpkpH亦即: * *103 103 10823.2.10.64.535.56210.6480.535./ GAGAGALAGppPaRkHmolcs
