化学反应工程第二版课后答案第七章教材.docx

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化学反应工程第二版课后答案第七章教材

7.多相催化反应器的设计与分析

7.1若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?

已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm3,颗粒密度为1.8g/cm3

解:

7.2为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m3/h的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒的等体积相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm3,颗粒密度为2.6g/cm3.

解:

根据（6.4）式可推导出ψa=dp/dv,式中dp为等比外表面积相当直径,dv为等体积相当直径.

7.3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,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计算:

（1）

（1）            催化剂床层高度;

（2）

（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/s

（2）求床层压力降减小的百分率:

假定床层的空隙率不变,则有:

层流流动时:

（1）,

（2）式联立:

床层压力降减少的百分率为:

7.4拟设计一多段间接换热式二氧化硫催化氧化反应器,每小时处理原料气35000m3（标准状况下）,组成为SO2:

7.5%;O2:

10.5%;N2:

82%.采用直径5mm高10mm的圆柱形催化剂共80m3,取平均操作压力为0.1216Mpa,平均操作温度为733K,混合气体的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空气计算.

解:

由（7.1）式

根据题给条件有:

上式中A—床层截面积,m2.

在题（7.1）中已推导出,因此有:

查”无机化工反应工程”P108图4-1得ε=0.45,混合气的物性数据按空气计算误差不大,733K下,ρ=0.4832kg/m3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:

要求△P<4052Pa则有4052>1.838×107A-3（0.0444A+1.75）

试差求解床径:

床层直径D

（m）

床层截面积A

（m2）

等式右边的值

（Pa）

5.3

22.05

4678

5.4

22.89

4239

5.45

23.32

4039

5.50

23.75

3849

所以床层直径应大于或等于5.45m,直径为5.45m所对应床层高度为:

7.5多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:

组分NH3N2H2ArCH4

%2.0921.8266.002.457.63

（1）

（1）  计算氨分解基（或称无氨基）进塔原料气组成:

（2）

（2） 若进第一段的原料气温度为407℃,求第一段的绝热操作线方程,方程中的组成分别用氨的转化率及氨含量来表示.反应气体的平均热容按33.08J/molK计算.反应热△Hr=-5358J/molNH3

（3）（3）  计算出口氨含量为10%时的床层出口温度,按考虑反应过程总摩尔数变化与忽略反应过程总摩尔数变化两种情况分别计算,并比较计算结果.

解:

（1）计算氨分解基气体组成:

100mol原料气中含NH32.09mol,相当于2.09/2molN2及（1.5×2.09）molH2,因此，无氨基气体组成如下：

NH3

N2

H2

CH4

Ar

∑

Mol

Mol%

Mol

Mol%

Mol

Mol%

Mol

Mol%

Mol

Mol%

Mol

Mol%

0

0

22.865

69.14

67.72

7.63

7.63

7.474

2.45

2.4

102.1

100

（2）绝热操作线方程：

（A）（A） 考虑反应过程中气体总摩尔数的变化.

以y代表氨基气体mol%,Ft表示混合气体总摩尔流量,由可以看出,每生成1摩尔NH3,混合气体总摩尔数减少1,所以生成氨的摩尔数=,（下标A代表NH3,0代表进口处,yA0和yA均指有氨基的mol%）因此有:

（a）（a）  以N2的转化率表示组成时的绝热操作线方程:

上式中（-△Hr）以反应每kmol的N2计.

以进口处N2的转化率为0作基准计算,则有:

代入有关数据:

化简得:

（2）

又,生成的NH3mol数为:

反应消耗N2的mol数为:

∴N2的转化率:

代入数据:

化简得:

（3）

（3）代入

（2）式得:

化简后得到以表示组成的绝热方程为:

（b）（b）  以NH3含量表示组成的绝热操作线方程:

式中（-△Hr）以每生成1kmolNH3计,

化简得到以yA表示组成的绝热操作线方程如下:

（B）（B） 忽略反应过程中气体总摩尔数的变化

（a）以N2转化率表示组成时的绝热操作线方程:

式中-△Hr以每反应1kmolN2计.

（b）以NH3含量表示组成的绝热操作线方程:

式中-△Hr以每反应1kmolN2计:

（3）计算出口氨含量为10%的床层出口温度,考虑反应总摩尔数变化时:

忽略反应总摩尔变化时:

808.1-805.5=2.6K,温度相差并不大,这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘故,若转化率高则两种方法计算出来的床层出口温度将会有较大的差别.

7.6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）

（1）  测得A点的温度为620℃,你认为正确吗?

为什么?

（2）

（2）  测得B点的转化率为80%,你认为正确吗?

为什么?

（3）（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=λ△XA,590-420=λ×0.7λ=（590-420）/0.7=242.86

故C点温度为:

t=t0+λ△XA=420+242.86×0.5=541.4℃

7.7乙炔水合生产丙酮的反应式为:

在ZnO-Fe2O3催化剂上乙炔水合反应的速率方程为:

式中CA为乙炔的浓度,拟在绝热固定床反应器中处理含量为3%C2H2（mol）的气体1000m3（STP）/h,要求乙炔转化68%,若入口气体温度为380℃,假定扩散影响可忽略,试计算所需催化剂量.反应热效应为-178kJ/mol,气体的平均恒压热容按36.4J/molK计算.

解:

原料气中乙炔浓度很低,可忽略反应过程总摩尔数的变化.

式中Q0为以标准状态计的体积流量,Q为温度t时垢体积流量.

绝热操作线方程为:

算出一系列f（XA）-XA的值如下表:

XA

0

0.1

0.2

0.33

0.4

0.5

0.6

0.7

t℃

380

395

409

424

438

452

468

482

F（XA）×103

2.86

2.52

2.28

2.09

2.02

2.01

2.1

2.39

图解积分得:

7.8题7.7所述乙炔水合反应,在绝热条件下进行,并利用反应后的气体预热原料,其流程如图7A所示.所用预热器换热面积50m2,乙炔浓度为3%的原料气以1000m3（STP）/h的流量首先进入预热器预热,使其温度从100℃升到某一定值后进入体积为1m3的催化剂床层中绝热反应,反应速率方程见题7.7,预热器总传质系数为17.5w/m2K,反应气体热容按36.4J/molK计算,试求:

（1）

（1）  绝热温升（可不考虑反应过程中反应气体总摩尔数的变化）.

（2）

（2）  计算反应器出口可能达到的乙炔转化率（列出方程式,并用文字说明求解过程）.

解:

（1）绝热温升.按题意,在计算绝热温升时可忽略反应过程总摩尔数的变化.

（2）列方程求解转化率:

（A）由绝热床热量衡算得:

Tf=T0+146.5XAf

（1）

（B）由预热器热量衡算得:

T0-373=Tf-T2

（2）

（C）（C） 预热器中,传热的对数平均温度差为:

传热速率方程:

（D）绝热床反应体积:

式中CA0为床层进口处浓度,而CA0=PA0/RT0=0.03×1.013×105/（8.314×103T0）

=0.36655/T0kmol/m3

故有:

联立解方程

（1）-（4）便可解出T0,Tf,T2,XAf

7.9某合氨厂采用二段间接换热式绝热反应器在常压下进行如下反应:

热效应△Hr=-41030J/mol,进入预热器的半水煤气与水蒸汽之摩尔比1:

1.4,而半水煤气组成（干基）为:

组成COH2CO2N2CH4其他∑

mol%30.437.89.4621.30.790.25100

图7b为流程示意图,图上给定了部分操作条件,假定各股气体的热容均可按33.51J/molK计算,试求Ⅱ段绝热床层的进出口温度和一氧化碳转化率,设系统对环境的热损失为零.

解:

（1）预热器热量衡算:

（2）第一段绝热床热量衡算:

（3）由Ⅰ,Ⅱ段绝热床的中间换热器热量衡算得:

（4）列第二段绝热床热量衡算:

7.10在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:

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:

式中为乙炔的转化率,液体的平均热容为,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,

在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的视为相等,对每一段均有:

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△XA亦相等,因此有:

△XA=1/3×0.92=0.3067

各段△T为:

△T=171.5△XA=171.5×0.3067=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:

段数

进口

出口

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+171.5△XAk=3.08×104exp（-7960/T）

XA

0

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.3067

T

770.4

779

787