第7章化学反应工程习题答案

第7章化学反应工程习题答案

7-1 试述物理吸收与化学吸收的区别。

解：对于物理吸收过程*=A A A P H C 0 对于化学吸收过程*

*

+=A

A B

A P P C C αα10

,式中A KH =α，其中K 为化学平衡常

数；0B C 为吸收剂中的活性组分浓度；0A C 是与A 组分分压*A P 平衡的气体浓度；A H -A 组分溶解度系数。从以上两式可以看出物理吸收和化学吸收区别如下：

1．物理吸收气体溶解度与气体压力呈正比关系，化学吸收呈渐近线关系，当分压较高时，气体溶解度趋近化学计量的极限，因此为了减低能耗，导致操作方式不同，压力较低宜采用化学吸收，压力较高宜采用物理吸收。

2．热效应不同，物理吸收热效应较小，每摩尔数千焦耳，而化学吸收可达数万焦耳。导致吸收剂的再生方式不同，物理吸收过程吸收剂减压再生为主，化学吸收过程的吸收剂再生除减压外还需加热。

3．物理吸收选择性主要体现各种气体在溶解度系数的差异，而化学吸收取决于A KH =α，由于化学反应特定性，吸收选择性不同。化学吸收选择性高于物理吸收。

7-2解释下列参数的物理意义：无因次准数M 、增大因子β及液相利用率η。分别写出一级不可逆和二级不可逆反应无因次准数M 的计算式。

解：无因次准数M 的物理意义

通过液膜传递速率

液膜内的化学反应速率

增大因子β的物理意义为速率

单纯物理吸收时的传质过气液界面的传质速率

液膜内有化学反应时通

液相利用率η的物理意义为的反应速率液相均处于界面浓度下吸收速率

对于一级不可逆反应211L

AL L L k k

D k k M ==δ

对于二级不可逆反应2

2L

BL

AL k C k D M =

7-3 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应，假定液相上方水蒸气分压可不

计，试按双膜模型绘出气相及液相二氧化碳浓度分布示意图。

解：

气模 液膜 P CO2,g

P CO2,i

C CO2,i C CO2,L

7-4应用双模理论对下列情况分别绘出气相及液相中反应物及反应产物浓度分布示意图：

（1）反应两种气体A、B被同一吸收剂S同时吸收，A的吸收是0

=

AL

C的中速反应，B的吸收是1

〈〈

M

a

L

慢；

（2）反应两种气体A、B被同一吸收剂S同时吸收，A的吸收是气膜控制的瞬间反应，B的吸收是1

〉〉

M

a

L

慢速反应。

解：（1）

(2)

P A,i

P A,g

气模液膜C S,L

C S,i

C A,i

→

AL

C

≠

=L

x

A

dx

dc

δ

C S,L

气模液膜

P B,g

P B,i

C B,i

气模液膜

P A,g

C A,i

C S,L

C S,i

7-5 一级不可逆反应过程，已知s m k L /104-=，s m D L /105.129-⨯=，试讨论：

（1） 反应速率常数1k 高于什么数值时，将是膜中进行的快反应过程；1k 低于什么数值时，将是液流主体中进行的慢反应。

（2） 如果111.0-=s k 。试问L a 达到多大以上反应方能在液流主体中反应完毕，此时传质表面上的平均液膜厚度将是多少？ （3） 如果1110-=s k ，30=L a ，试求η和β。 解：(1)当3≥M 时将是在膜中进行的快反应过程，即

92

1≥L

AL k k D ，解1160-≥s k

当02.0≤M 时将是在膜中进行的快反应过程，即

4

2

1104-⨯≤L

AL k k D ，解

1311067.2--⨯≤s k

（2）当()M th M a L 1

1〉〉-时反应方能在液流主体中反应完毕，由于即

1105.110

1.0105.128

92

1

〈〈⨯=⨯⨯==

---L

AL k k D M ，此时M M th →，上式可以简化为()M a L 〉〉-1,6.67≥L α。

气模 液膜 P B,g P B,i C B,i

C S,L C B,L →0

m k D L L L 5

4

9105.110105.1---⨯=⨯==δ （3）5.110

10

105.18

92

1=⨯⨯==

--L

AL k k D M ，此时满足()M th M a L 11〉〉-，所以

45.1==M th M β 032.0)(1==M th M L αη

或带入原公式()[]()

[

]44.11

5.15.1)130(5.1)130(22.15.11

11=+-+-=

+-+-=

th th M th M a M

th a

M M

L L

β

7-6 对于不可逆一级快速反应过程，试讨论温度和浓度对吸收速率的影响。

()[]()[]

032.0111=+-+-=

M th M a M a M th a M L

L

L

η

解：气-液反应它与均相反应有着根本不同的特性，气-液反应必须首先通过气体的溶解，然后与液相中的反应物进行反应，因此它是气体的溶解和与液相反应的一种总和。

对于不可逆一级快速反应过程，其吸收速率i L i L C D k C k M N 1== 温度对吸收速率的影响：气体溶解绝大多数为放热过程，即随着温度升高溶解度系数降低，使气体在气-液界面浓度i C 降低，温度提高使反应速率常数1k 和扩散系数增加，因此温度对气-液吸收速率的影响吸收速率取决于反应速率常数、扩散系数和气体溶解度的此消彼涨，例如氨水碳化过程的实验数据表明：温度对它们的影响刚好对消，因此吸收速率与温度无关。

反应物浓度的影响：反应物浓度升高通常会是反应速率加快，但是当反应物浓度增高时，溶液中反应物和生成物浓度都随之升高，气体在液相中的溶解度系数降低，并且溶液浓度的增加会使溶液粘度增大，导致扩散系数和传质系数降低，因此对于大多数气-液反应系统，存在一个最佳浓度。

7-7在20℃下用9=pH 的缓冲溶液吸收二氧化碳分压力为0.01MPa 的气体，已知s m k L /104-=，14110-=s C k OH ，s m D L O C /104.129,2-⨯=，若反应可视为拟一级不可逆反应，气膜传质阻力可以忽略不计，1000=α，)/(0014.032MPa m kmol H CO •=，试求吸收速率。 解：28

5492

1104.110

1010104.1----⨯=⨯⨯⨯==

L

AL k k D M 14104.110002=⨯⨯=-M L α

属于持液大的拟一级慢反应，此时 934.0)1(=+-=M M M L L αδβ

由于气膜传质阻力可以忽略不计，因此气相主体二氧化碳分压等于气液界面分压。

吸收速率)/(103.10014.001.010934.0394,2s m kmol C k N i CO L •⨯=⨯⨯⨯==--β

7-8 用42SO H 来吸收压力MPa 005.0的3NH ，该反应为极快的不可逆反应，为了使吸收过程以最快的速率进行。试问吸收时42SO H 的浓度最低应为多少？试求吸收速率。