化工反应工程答案 第六章..

6.多相系统中的化学反应与传递现象

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） （1） 化学动力学控制 （2） （2） 外扩散控制

（3） （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

(2)以产物A 的浓度为纵座标

6.2 已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为117w/m 2K,气体的密度和热容分

别为0.8kg/m 3和2.4J/kgK,试估算气膜的传质系数. 解:

-=====⨯⨯=⨯=2/3321/(/)(/Pr),/Pr 1

/117/0.8 2.410 6.09410/219.4/D H G p s c c G s p J J k C h S S k h C m s m h

ρρ又

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

6.4 已知铁催化剂的堆密度为 2.7g/cm 3, 颗粒密度为 3.8 g/cm 3,比表面积为16m 2/g,试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积. 解:

==2260.8/43.2/p g g S m ml S m ml

ρρb 每毫升颗粒的表面积=每毫升床层的表面积=

6.5 试推导二级反应和半级反应的扩散有效因子表达式(6.23)和(6.24). 解:(1)二级反应,

()(

)(

(

)

=-=-==-±=⎡⎤=-±⎣⎦=

-22

222

2

2,,/2/1/21,/A w AS G m AG AS w AS

G m w w AS w AG

G m w AG w AG G m

R k C k a C C k C k a k k C k C k a k C k C k a αηA S x 由上解得:C 按定义此即(6.23)式

式中D a=

(2)半级反应

(

)(

=-=-==-±==-+⎛=-+=+- ⎝1/21/21/21/21/21/21/2

2

1/2,(),/2/(2122A w AS G m AG AS w AS AS w G m w AS w AG

w G m AG

R k C k a C C k C C k k a k C k C k k a C Da Da αηx 由上解得:按定义:

-⎡

+⎢=-⎢⎢⎣

⎡⎤⎛+⎢⎥ =-⎢⎥ ⎢⎥⎝⎣

⎦=1/2

21/2

21/2

22212(6.24),:/w AG G m

Da Da Da k C k a 此即式式中

6.6 在充填ZnO-Fe2O3催化剂的固床反应器中,进行乙炔水合反应:

+→++2223322232C H H O CH COCH CO H

已知床层某处的压力和温度分别为0.10Mpa,400℃,气相中C 2H 2含量为3%(mol),该反应速率方程为r=kC A ,式中C A 为C 2H 2的浓度,速率常数k=7.06×107exp(-61570/RT),h -1,试求该处的外扩散有效因子.数据:催化剂颗粒直径0.5cm,颗粒密度1.6g/cm 3,C 2H 2扩散系数7.3×10-5m 2/s,气体粘度2.35×10-5Pa ﹒s,床层中气体的质量流速0.2kg/m 2s. 解:由已知条件可得

()()---=⋅=⨯⨯=⨯+⨯=+===⨯⨯⨯===-=⨯⨯253

0.359552/3

7

0.24/Re 0.0050.24/2.351051.06260.03180.972730.3303/22.44002730.357/(Re )0.2485

2.3510/(0.33037.310)0.97460.1837/()

615707.0610exp 8.314673D b c G D c G kg m s

kg m j S G

k j m s S k ρερ()-⎡⎤

= = ⎢⎥

⎣⎦

==⨯ ⋅⎡⎤=⨯=⎢⎥⎣⎦

332

2

2

1174.6/0.3263//0.203910/10.005/(0.005)16000.756w p m l h l s k k m kg s

a m ρππ

===

=+/0.00148

1

0.9985

1w G m Da k k a Da

πη

6.7实验室管式反应器的内径2.1cm,长80cm ,内装直径6.35mm 的银催化剂进行乙烯氧化反应,原料气为含乙烯 2.25%(mol)的空气,在反应器内某处测得P=1.06×105Pa,T G =470K,乙烯转化率35.7%,环氧乙烷收率23.2%,已知

+→ =-⨯ +→+ =-⨯ 424224124

6242222241

9.6110/2

32 1.2510/C H O C H O H J molC H C H O CO H O H J molC H ∆∆

颗粒外表面对气相主体的传热系数为58.3w/m 2K,颗粒密度为1.89g/cm 3.设乙烯氧化的反应速率为 1.02×10-2kmol/kg ﹒h,试求该处催化剂外表面与气流主体间的温度差. 解:

()-= ⋅⎛⎫-=-+--=⨯ ⎪⎝

⎭= ⋅=⨯⋅⋅=

=

= -=--= 5

12252223

()10.2/23.223.2()()

1 5.00110/35.735.758.3/ 2.09910/0.50/16

()()/48.59A r s p

p

m p p

p p g G A r s m R mol kg h H H H J mol h w m k J m K h S d a m kg

V d T T R H h a K

πρπρ∆∆∆∆

6.8 一级连串反应:

−−→−−→12A B C

在0.1Mpa 及360℃下进行,已知k 1=4.368 s -1,k 2=0.417 s -1,催化剂颗粒密度为

1.3g/cm 3,(k G a m )A 和(k G a m )B 均为20cm 3/g ﹒s.试求当C BG /C AG =0.4时目的产物B 的瞬时选择性和外扩散不发生影响时的瞬时选择性.

解:外扩散无影响时,由(6.35)式得:

⨯'=-

=0.41730.4

10.9618

4.368S

外扩散有影响时,由(6.34)式得:

⨯=-=+10.41730.4(1.168)

0.9403

10.01605 4.368(1.01605)S

上式中所用的

===

=1122/0.168/0.01605a G m

a G m

k D k a k D k a ρ

ρ

6.9 在Pt/Al 2O 3催化剂上于200℃用空气进行微量一氧化碳反应,已知催化剂的孔容为0.3cm 3/g,比表面积为200m 2/g,颗粒密度为1.2g/cm 3,曲节因子为3.

7.CO-