化学反应器期末题答案

1A平行反应中，反应级数相同分析R收率最大时的温度条件。

解:考虑下列一些情况：

（1）E1>E2、E3应该采用高温；

（2）E1

（3）E3>E1

由k1=k10e-E1/(RT)c n A

K2=k20e-E2/(RT)c n A

K3=k30e-E3/(RT)c n A

因n相同，所以R的选择率

β=r R/(r R+r S+r T)=1/(1+r S/r R+r T/r R)

=1/(1+k20/k10e(E1-E2)/RT+k30/k10e(E1-E3)/RT)

令dβ/dT=0

所以

k20/k10e(E1-E2)/RT+k30/k10e(E1-E3)/RT=0

取对数，并整理得

(E3-E2)/RT=ln[（E3-E1）k30/k20（E1-E2）]

满足上式要求的T值即为所求的解

T=(E3-E2)/Rln[k03（E3-E1）/k02（E1-E2）]

2简述气固催化反应涉及的过程以及相关过程特征。

①反应物从气流主题扩散到催化剂的外表面（外扩散过程）；

②反应物进一步向催化剂的微孔内扩散进去(内扩散过程)；

③反应物在催化剂的表面被吸附（吸附过程）；

④吸附的反应物转化成反应的生成物（表面反应过程）；

⑤反应生成物从催化剂表面上脱附下来（脱附过程）；

⑥脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化剂外表面处（内扩散过程）；

⑦生成物分子从催化剂外表面处扩散到主流气流中被带走（外扩散过程）。

3.对气固催化反应A+B→C，作图说明下列情形中初始反应速率(转化率为0)随总压力的变化：

(a)机理为催化剂上吸附的A分子和B分子发生反应，表面反应为控制步骤;

(b)机理同上，但组分A的吸附为控制步骤;

(c)机理同上，但组分C的吸附为控制步骤;

在所有情形中均假定两种反应物摩尔分数相等

4简单反应A B在全混流反应器中进行·······

设反应器体积为V R，反应物进料体积流量为v，反应混合温度为T。反应物

浓度为C Af，进料浓度为C A0，进料温度为T0，冷却介质温度Tc。

对组分A作物料衡算：vc A0=vc Af + V R kc Af

反应过程的放热速率为：Q g=（−△H）kc Af V R

=[(−△H）kc A0V R exp(−E/RT)]/[(1+k0τexp(−E/RT)]

Qr = UA (T−Tc) +νρc p (T−T0)

如果略去反应过程中反应混合物密度、粘度、比热容等物性参数随温度的变化，设T0=Tc，则得到热平衡数学表达式为Qr=（UA+νρc p）(T−T c)

5图一为n级简单反应在不同反应器中性能比较，从该图中可以获取什么样结论，为什么？

结论：平推流反应器与全混流反应器中反应结果的差别，与反应级数和反应过程转化率有关。对于高转化率的反应过程，应选用返混小的反应器。

原因：当转化率很低时，反应物浓度变化范围较小，反应结果受返混影响也较小，达到同样转化率的两类反应器体积差别也不大。随反应转化率的增加，返混影响也增大，两类反应器体积比相应增大。随着反应级数的提高，达到相同的转化率，全混流反应器与平推流反应器所需体积比也增大。对于非零级反应，级数越高，反应物浓度变化对反应速率影响越敏感，达到相同的转化率，所需体积差别越大。

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9讨论气固相催化反应的内外传递造成的影响，如何表征影响大小和通过哪些手段和方法证实存在内外传递？

外传递：在气固催化反应中，外扩散过程对化学反应的影响，是由传质过程引起的反应表面与气流主体间的浓度差异造成的，颗粒外部传质过程的存在，造成反应场所-颗粒外表面-浓度c es小于气流主体浓度c b，即颗粒外部传质过程存在造成的结果是使反应速率降低。颗粒外部传质过程存在对反应场所-颗粒外表面-浓度c es影响的程度取决于k/k g a的数值。对于主反应级数大于副反应级数时，颗粒外扩散阻力的存在使实际反应场所颗粒外表面反应物浓度下降，对于反应选择率是不利的。当主反应级数低于副反应级数时，外部传质阻力存在，有利于选择率提高。二者相同时，外部传质阻力的存在对选择率物影响。

外传递判别方法：效率因子法

内传递：Ф准数是表征内扩散对化学反应影响的一个重要参数，随着Ф准数的增加，内扩散阻力的影响越来越大。当Ф<0.4时，η接近于1，Ф2y i<0.16时，内部传质对反应速率的影响可忽略。Ф>3时，内部传质对反应速率的影响很严重。当主反应级数高于副反应级数，颗粒内部传质阻力对选择率是不利的。反之，当副反应级数高于主反应级数时，颗粒内部传质阻力对选择率是有利的。

内传递判别方法：粒度试验、测量表观反应速率R、内部效率因子

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由图可知，在一定条件下，全混釜满足热平衡条件的操作点可以有A、B、C 三点，也就是在同样的操作条件下，反应器内可能出现三种不同的操作温度T A、T B和T C，这就是反应器的多态现象。反应器的多态操作点，都满足Qg=Qr的热平衡条件，使系统的操作点。

设原平衡状态点为A，如因外界有一短暂的扰动使操作温度上升，即从T A

偏离到T A，，它就不再处于热平衡状态，此时（Qg）T A，<（Qr）T A，，由于移热

速率大于放热速率，使反应温度自动返回TA，相反，如果反应温度受到干扰而略有降低，降到T A，，，则由于此时反应放热速率大于移热速率，系统温度也将自动回复到T A，表明系统在A点操作具有热自衡能力，A点被称为热稳定的定态点，同理，C也为稳定的定态操作点。

而B不同，当因受微小的扰动，而使反应温度上升到T B，，后此时（Qg）

T B，<（Qr）T B，，反应温度将自动继续上升直至与C点相对应的温度为止，同理，如扰动使之偏离到T B，，，则有（Qg）T B，，<（Qr）T B，，，反应温度将继续自动下降，知道与A点相对应的温度为止。B点不具有热自衡能力，是不稳定的定态

操作点。

当全混釜反应器中冷却介质温度降低，传热面积及传热系数增大，都会增大移热速率，但超过一定的限度，将使全混釜反应器处于低温稳定状态。为了使反应器稳定操作，需采用尽可能小的传热温差。

11题:简述催化剂在进行工程设计时要考虑的因素,以及如何进行?

需要考虑的主要内容是催化剂颗粒内外热、质传递对反应结果的影响，需要研究的主要因素是催化剂颗粒形态和大小、强度、催化剂颗粒内的活性组分分布和催化剂的孔径分布。

催化剂颗粒形态和大小：固定床反应器的催化剂颗粒形状的大小确定主要根据颗粒内传质、传热对反应的影响和反映流通过床层的压力降之间的权衡。

催化剂的强度也是一个需要考虑的因素，颗粒应能承受其上面的床层质量和压降加于它的压力。

催化剂颗粒内的活性组分分布：在催化剂内扩散影响较小时，催化剂的活性组分通常被均匀地负载在载体颗粒上，以求单位体积催化剂床层的催化活性最大。

催化剂的孔径分布：对于活性很高的催化剂，催化过程由外扩散控制时，催化剂应采用无孔的。但是绝大多数催化剂都采用多孔结构，活性组分主要分布在催化剂内孔的表面上。

12在球形颗粒催化剂上进行一级不可逆反应A→R。气相温度为337 ℃，压力

为0.1MPa，组分A的摩尔分数为5%，催化剂粒径dp=2.4mm，有效导热系数

λ=5.02×10-3J/（s·cm·℃），组分A在颗粒内的有效扩散系数De=0.15cm2/s，外部传质系数kg=30cm/s，外部传热系数h=4.18×10-3 J/（s·cm·℃），反应热效应（-ΔH）=48070J/mol，实测表观反应速率（-rA)obs=2.77×10-3mol/cm2s，请回答: (1)外部传质阻力对反应速率有无影响?(2)内部传质阻力对反应速率有无影购? (3)催化剂颗粒内的最大温差为多少?(4)气相主体与催化剂颗粮外表面的温差为

多少?