化学反应工程第六章
化学反应工程练习题解答
第一章习题1有一反响在间歇反响器中进行，经过8min 后，反响物转化掉80％，经过18min 后，转化掉90％，求表达此反响的动力学方程式。
解2A A min 18A0min 8A0AA A0d d 219.019.0181)(218.018.081)(11kc tc kc kc x x c kt =-=-⋅==-⋅=-⋅=为假设正确，动力学方程 2在间歇搅拌槽式反响器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反响式为：()()()()S R B A O H H COOC CH OH H C COOH CH 2943SO H 94342+−−→−+反响物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反响在100℃下进行。
A 转化率达50％需要时间为24.6min ，辅助生产时间为30min ，每天生产2400kg 醋酸丁酯〔忽略别离损失〕，计算反响器体积。
混合物密度为750kg·m -3，反响器装填系数为0.75。
解3313111111i 1.2m 0.750.8949总体积反应0.8949m 0.910.9834有效体积反应0.91hr6054.6折合54.6min 3024.6总生产时间hr 0.9834m 750737.5换算成体积流量hr 737.5kg 634.1103.4总投料量hr 634.1kg 744.97724.1B 4.97:1B :A hr 103.4kg 601.724折算成质hr 1.724kmol 0.50.862的投料量A ，则50%转化率hr 0.862kmol 116100hr 100kg 2400/24R 116 74 60 M S R B A ==⨯==+=⋅=+⋅=⨯⨯=⋅=⨯⋅=⋅=⋅=+→+-------器器投料量则量流量产量3反响(CH 3CO)2O+H 2O →2CH 3COOH 在间歇反响器中15℃下进行。
一次参加反响物料50kg ，其中(CH 3CO)2O 的浓度为216mol·m -3，物料密度为1050kg·m -3。
第六章 化工过程放大1
（1）操作周期 开车 停车
（2）放大系数 放大系数＝放大后的实验（或生产）规模/ 放大前的规模
（3） 放大效应 过程规模变大所引起的指标不能重复的 现象称放大效应。 1) 装置形状 2) 装备的几何尺寸 3）操作模式 4）装置的结构 5）散热问题 6）边壁和终端效应
6.1.2
反应过程放大基本方法
（2）按反应器的结构型式分类
塔式反应器
固定床反应器 流化床反应器
间歇操作反应器 （3）按操作方式分类
连续操作反应器 半连续(半间歇) 反应器
6.3.2 反应器选型
6.3.2.1 化学反应器选型原则 （1）工业生产对化学反应器的要求 • 有较高的生产强度 • 有利于反应选择性的提高 • 有利于反应温度的控制 • 有利于节能降耗 • 有较大的操作弹性
问题的提出： （1）存在放大效应； （2）不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程； 相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主 要原因是无法同时保持物理和化学相似。 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验）; 数学模型法 可以提高放大倍数，缩短半经验放 大法。
6.1.2.1 逐级经验放大
需全流程中试： 1 综合研究整个工艺过程； 2 提供一定批量的样品进行应用试验； 3 物料循环对生产的影响不可预测，而且对生产的影响大。
（4）运行周期 （5）测试深度 （6）中试装置的运行可靠性和安全性
冷模试验优点：
1）直观、经济； 2）试验条件容易满足，并容易控制； 3）可进行在真实条件下不便或不可能进行的类比实 验，减少实验的危险性。 6.2.2.1 冷模实验的理论基础 （1）相似现象 几何相似 时间相似 动力相似 热相似 化学相似
（2）相似理论 相似第一定律 A 相似现象属于同一类现象； B 各相同的量间有一定的相似倍数； C 相似倍数不是任意的； D 相似特征参数。 相似第二定律 两体系相似时，对应点上必须具有的数值相等的、 单值条件相似的并有一定物理意义的数组。
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
陈甘棠主编化学反应工程第六章
5.模型化
对于一个过程，进行合理的简化，利用数学公 式进行描述，在一定的输入条件下，预测体系 输出的变化。 对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以 构造不同的模型。 不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一 些参数，以修正模型与实际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的 模型。
对于固定床反应器，一般有以下模型： 一维拟均相平推流模型 一维拟均相带有轴向返混的模型 二维拟均相模型 二维非均相模型 二维非均相带有颗粒内梯度的模型 …………
换热量不太大时可采用层间加 入盘管的形式。如环己醇脱氢 制备环己酮，丁二醇脱水制丁 二烯等。
如乙炔加氢，放热177kJ/mol， 为防止温度上升使乙炔收率
下降，在层间喷水，利用 水的汽化来吸收热量。
近代的大型合成氨反应器 也采用中间冷激的多段绝 热床的形式
固定床反应器类型
是用于 SO2 转化的多段绝 热反应器，段间引入冷空气 进行冷激。 对于这类可逆放热反应过 程，通过段间换热形成先高 后低的温度变化，提高转化 率和反应速率。
总之，不论是吸热或放热的反应，绝热 床的应用是相当广泛的，特别对于大型 的，高温或高压的反应器，希望结构简 单，同样大小的装置内能容纳尽可能多 的催化剂以增加生产能力（少加换热空 间），而绝热床正好能符合这种要求。
但绝热床的温度变化总是较大的，由于 温度对反应的影响同样不可忽视，故要 综合分析并根据实际情况来决定。
如，合成氨、硫酸、合成甲醇——基本 化学工业
环氧乙烷的制备、乙苯脱氢制苯乙烯及 炼油厂中的铂重整等——石油化工工业
红热焦炭中通入水蒸气制备水煤气，矿 物的焙烧、还原——非催化反应
2、固定床反应器的特点
①催化剂不易磨损非失活可长期使用 ②固定床层内的气相流动接近平推流，有利
化学反应工程 第六章 固定床反应器
一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i
也即
Z 0 Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
min
Z 0
xi
1 ri
xA xi
1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
（xi
x
i
1
)
Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。
（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
化学反应工程：固定床反应器
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p d S 2 u L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应 物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分 为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型 考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作 量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽 可能选用简单模型。
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 圆柱形： 0.9 片状： 0.81 无定形： 0.9 ； ； ；
化学反应工程练习题解答
第一章习题1 有一反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，反应物转化掉80％，经过18min 后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。
解2A A min 18A0min 8A0AA A0d d 219.019.0181)(218.018.081)(11kc tc kc kc x x c kt =-=-⋅==-⋅=-⋅=为假设正确，动力学方程2 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：()()()()S R B A O H H COOC CH OH H C COOH CH 2943SO H 94342+−−→−+反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在100℃下进行。
A转化率达50％需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。
混合物密度为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。
解3313111111i 1.2m 0.750.8949总体积反应0.8949m 0.910.9834有效体积反应0.91hr6054.6折合54.6min 3024.6总生产时间hr 0.9834m 750737.5换算成体积流量hr 737.5kg 634.1103.4总投料量hr 634.1kg 744.97724.1B 4.97:1B :A hr 103.4kg 601.724折算成质hr 1.724kmol 0.50.862的投料量A ，则50%转化率hr 0.862kmol 116100hr 100kg 2400/24R 116 74 60 M S R B A ==⨯==+=⋅=+⋅=⨯⨯=⋅=⨯⋅=⋅=⋅=+→+-------器器投料量则量流量产量3 反应(CH 3CO)2O+H 2O →2CH 3COOH 在间歇反应器中15℃下进行。
已知一次加入反应物料50kg ，其中(CH 3CO)2O 的浓度为216mol ·m -3，物料密度为1050kg ·m -3。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A k1 B k2 D
kGamcAGcASk1cAS kGamcBScBGk1cASk2cBS kGamcDScDGk2cBS
c AS
c AG (1 Da1 )
c BS
(1
Da1c AG Da1 )(1
Da2 )
c BG (1 Da2 )
Ni
Dei
dci dZ
DeipDi /m
13
例6.4 求噻吩(A)在氢气(B)中的有效扩散系数DeA 600K 3.04MPa p 1.4g/cm3 p 0.4 Sg 18m 02/g
DAB 0.04c5m 27 /sm 3.0
1.01p 33.33 13 7 0 cm
ra 2S V ggS2gpp3.1 71 07cm
102 2ra 10
复合扩散
D K A 9 . 7 1 3 r a 0 T / M 8 . 2 1 2 3 c 0 2 / s m
1
1
DA1/(DK)A1/DAB 10/08.2 0 21/0.0454
外扩散 无影响
S' 1k2CBG0.790 k1CAG
TS=450K
外扩散 有影响
S 1 k2CB(G 1D a1)0.785
1D a2 k1CAG 1D a2
TS=450K
S 1 k2CBG (1D a1)0.8077
1D a2 k1CAG 1D a2
TS=460K12
6.3 气体在多孔介质中的扩散 6.3.1. 单一孔道内的扩散
第六章 多相系统中的化学 反应与传递现象
1
6.1 多相催化反应过程步骤
6.1.1. 固体催化剂的宏观结构与性质
空
隙
比表面(Sg)
孔径分布，平均孔径，孔容
ra
1 Vg
Vg 0
radV
ra
2V g Sg
孔隙率，空隙率，密度，形状系数
孔
隙
孔隙率p
孔隙体积 颗粒体积
真密度t
固体质量 固体体积
颗粒密度p 固 颗体 粒质 体量 积堆密度b
1单一反应
忽略 内扩散
X
kW kW
TS TG
cAS cAG
等温
c
AS
c
AG
一级不可逆
N AkG am (cA GcA)S
X1/1 (Da)
Da
kW kGam
R AkW cAS
cAS cAG /1 (D a)
DakkW G ca A m 1GkGak mW ccA AG G 07
不同反应级数时外扩散有效因子计算式
Da1
k1 kGam
,
Da 2
k2 kGam
11
例6.3
A k1
k2 B
D
求反应选择性
T G 4K 5C B 0/G C A G 0 .5 (TSTG)10 K
(k G a m )A (k G a m )B 4 c0 3 m /s ( g )
k 1 6 . 0 1 8 e 0 x E 1 /R p ()c ] [ T 3 / m g ( s ) E18.00kJ/mol k 2 1 .2 1 6 e 0 x E 2 /R p ()c [ ] T 3 / m g ( s ) E26.00kJ/mol
SS
SS CASCAG SS
S r B /r B ( r D ) 1 /1 ( k 2 c A / S k 1 )
10
(2) 连串反应（一级） 外扩散有影响
S 1 k2 cBS k1 cAS
1 k2cBG (1Da1) 1Da2 k1cAG (1Da2)
外扩散 SS
无影响
S (k1c AG k 2c BG ) k1c AG
1. 正常扩散 DA DAB
2ra 102
2. 努森扩散 D A D K A 9 .7 13 r a 0 T /M 2ra 10
3.复合扩散 DA1/(DK)A(11bA y)/DAB1b0 21N2Br/aN A 10
1
DA
1/(DK)A1/DAB
等分子逆向扩散
6.3.2多孔催化剂中的扩散
C AC
内外扩散 均无影响
cAGcAScAC
5
6.2.1传递系数
J
因子
jDkG G (SC)23 jHG hSPC (P r)23
Sc D Pr Cp
固 定 床
jD
0.357 Re0.359
jH
0.395 Re0.36
6.2.2. 流体与颗粒外表面得温度差与浓度差
qh sa m T S T G R A ( H r ) k G a m ( c A c A G ) S H ( r )
反应级数 外扩散有效因子X
1
11Da
2
1
2
4Da 14Da 1
1/2
4 Da2 Da
2
2
-1
1 1 4Da
8
1.0
1.0
X
0.01
Da
10.0
图6.2 等温外扩散有效因子
9
2复合反应 (1)平行反应 外扩散无影响
外扩散有影响
AB AD
rBk1cA rDk2cA
S1/1 (k2cA G /k1)
力 学
力 6 反应产物P的内扩散
学 7 反应产物P的外扩散 4
C AG
C AS
C PG
C PS
21
3
4
5 6
7
A
6.2 流体与催化剂外表 面间的传质与传热
N AkG am (cA GcA)S A
P qhSam(TSTG)
q(A ) ( H r)
C PC
外扩散无影响
cAGcAS
内扩散无影响
cAS cAC
ra 2Vg/Sg20.25/1500 40
50.11-08cm 5.01A
3
A g Pg
A P
1 2 34 65
7
A分子
吸附态 吸附态 A分子 P分子
P分子
6.1.2. 多相催化过程步骤
宏 1 反应物A的外扩散 2 反应物A的内扩散
观 3 反应物A的吸附
本
4 表面反应
征 动
动 5 反应产物P的脱附
固体质量 床层体积
p Vgp a as /ap
2
例6.1 已知一催化剂颗粒质量为1.08g，体积为1.033 cm3，测得孔容为0.255cm3/g，比表面为100m2/g，试
求催化剂的 p,p,ra
pV m p1.08/13 .033 1.04g/8cm 3
p V g p 0 .2/5 1 (/1 5 .0)4 0 8 .267
T ST G(cAG cA)S ( C H pr) P S c r 2/3 jjH D
TSTG(C H pr)(cAG cAS )
P163 例6.2自学6
6.2.3 外扩散对多相催化反应的影响
外扩散有影响表 时面 颗处 粒的 外反应速率
X 外扩散无影响表 时面 颗处 粒的 外反应速率