環(huán)工原理資料

1、1、反應(yīng)器一般主要有三種操作方式，即間歇操作、連續(xù)操作和 半間歇或半連 續(xù)操作。2、反應(yīng)器設(shè)計(jì)經(jīng)常用到四類基本方程：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方禾旱、連續(xù)五程、熱量方 程、動(dòng)量方程。3、單位時(shí)間單位體積反應(yīng)層中某組分的反應(yīng)量或生成量稱為該組分的反應(yīng)速 生，有時(shí)可用反應(yīng)物濃度減少到初始濃度的1/2時(shí)所需要的時(shí)間即半衰期來(lái)表 達(dá)。4、反應(yīng)器設(shè)計(jì)經(jīng)常用到的基本方程主要基于質(zhì)量恒宋原理、能量守恒宋律和 動(dòng)量守恒定律，它們都符合輸入=輸出+消耗+累積”模式。5、連續(xù)操作中一物料微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間稱為停留時(shí)間：?jiǎn)?位反應(yīng)器有效體積所能處理的物料的體積流量稱為空間速度，單位為時(shí)間的倒 數(shù)。6、在實(shí)際的反應(yīng)器中

2、，物料的流動(dòng)和混合狀態(tài)十分復(fù)雜，為了便于分析和計(jì)算, 常設(shè)想存在兩種極端的理想流動(dòng)狀態(tài)：完全混合流和平推流。7、對(duì)于恒溫恒容條件下的不可逆單一反應(yīng)，零級(jí)反應(yīng)的半衰期 =C /2k,1/2 Ao一級(jí)反應(yīng)的半衰期為t =ln2/k1/21、什么是空間時(shí)間和空間速度？它們所表達(dá)的物理意義各是什么？答：（1）空間時(shí)間指反應(yīng)器有效體積（V）與物料體積流量（Q）之比值。其物理意義 為處理與反應(yīng)器體積相同的物料所需要的時(shí)間。（2）空間速度指單位反應(yīng)有效體 積所能處理的物料的體積流量?？臻g速度表示單位時(shí)間內(nèi)能處理幾倍于反應(yīng)器體 積的物料，反映了一個(gè)反應(yīng)器的強(qiáng)度。2、化學(xué)催化反應(yīng)的特點(diǎn)：催化劑本身在反應(yīng)前后不發(fā)

3、生變化，催化劑能夠反復(fù)利用，所以一般情況下催 化劑的用量很少。催化劑只能改變反應(yīng)的歷程和反應(yīng)速率，不能改變反應(yīng)的產(chǎn)物。對(duì)于可逆反應(yīng)，催化劑不改變反應(yīng)的平衡狀態(tài)，即不改變化學(xué)平衡關(guān)系。催化劑對(duì)反應(yīng)有較好的選擇性，一種催化劑一般只能催化特定的一個(gè)或一類反 應(yīng)。3、西勒（Thiele）模數(shù)的物理意義是什么？具體說(shuō)明西勒（Thiele）模數(shù)的大小 如何影響催化劑的有效系數(shù)？解：物理意義是最大反應(yīng)速率與最大內(nèi)擴(kuò)散速率的比值；$值越大，內(nèi)擴(kuò)散阻 力越大，有效系數(shù)越小Svo.i-o.3時(shí)，ni,此時(shí)擴(kuò)散的影響可忽略不計(jì)。中S5-9時(shí)，I值小于0.1,且nl/OSo此時(shí)宏觀反應(yīng)速率主要受擴(kuò)散的 影響。1、在C

4、STR反應(yīng)器中，A被轉(zhuǎn)化成C,反應(yīng)速率方程為-，A(molLisi)=0.15cA假定流量為100L/s, A的初始濃度。為0.10mol/L,轉(zhuǎn)化率為90%。試求 所需反應(yīng)器的體積。設(shè)計(jì)完成時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)級(jí)數(shù)應(yīng)該是。級(jí)而不是1級(jí)。速率方程應(yīng)該為:-r = 0.15 mol/(L-s)試問(wèn)這對(duì)反應(yīng)的設(shè)計(jì)有何影響？解：(1)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在CSTR反應(yīng)器中有c - c0.1-0.01 et = t = 60skc0.15x0.01A反應(yīng)器體積V = q t = 6000LV(2)對(duì)于。級(jí)反應(yīng)，在CSTR反應(yīng)器中有,c c 0.1-0.01t =- = 0.60sk 0.15所需反應(yīng)器體積2

5、、某反應(yīng)器可將污染物A轉(zhuǎn)化成無(wú)害的物質(zhì)C,該反應(yīng)可視為一級(jí)反應(yīng)，速率 常數(shù)k為l.Oh-i,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率土為99%。由于該反應(yīng)器相對(duì)較細(xì)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員假 定其為平推流反應(yīng)，來(lái)計(jì)算反應(yīng)器參數(shù)。但是，反應(yīng)器的攪拌裝置動(dòng)力較強(qiáng)，實(shí) 際的混和已滿足完全混和流反應(yīng)器要求。已知物料流量為 304.8m3/h,密度為 l.OOkg/L；反應(yīng)條件穩(wěn)定且所有的反應(yīng)均發(fā)生在反應(yīng)器中。按照PFR來(lái)設(shè)計(jì)，反應(yīng)器體積為多少，得到的實(shí)際轉(zhuǎn)化率為多少？按照CSTR來(lái)設(shè)計(jì)，反應(yīng)器體積又為多少？解：(1)對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在PFR反應(yīng)器中有 血cA可得 1 -T=lnl00,即 T=4.6h所以反應(yīng)器體積為V= =14031113該反

6、應(yīng)器實(shí)際為CSTR反應(yīng)器，則有虹=%_1CA1.4.6=氣一1，計(jì)算可得 ca，= O.179caoA所以實(shí)際轉(zhuǎn)化率 Xa = 82.1%（2）對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，在CSTR反應(yīng)器中有ki=-lcA1-T=1OO-1計(jì)算可得t=99 h所以反應(yīng)器體積V=w=30175m3 3、某氣相反應(yīng)2AR+S在固體催化劑存在下進(jìn)行，該反應(yīng)的速率方程為 -rkcCj2o已知純A的體積流量為2.5m3/h時(shí)，在350C, 2MPa下加入裝有3升 催化劑的中試管式反應(yīng)器中，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為70.0%o現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一反應(yīng)器, 在350C, 4MPa下處理體積流量為150m3/h的原料氣，原料氣中A和稀釋劑的 體積分?jǐn)?shù)分

7、別為0.70和0.30,求A的轉(zhuǎn)化率為90.0%時(shí)，所需催化劑的床層體積。dxfy dxfydx q x腓： m = q J 乂_4 = q c J = q c J a=allA0 0 -r v0 A0 0 2 VO AO 0 2（1-_X）2 k c 1-xAc Ac A Ac AO A依據(jù)題中條件可得匕=4 = 0.00605，解得V =496LV m224、某一級(jí)不可逆氣固相催化反應(yīng)，當(dāng)cA= 10-2mol/L, 0.1013MPa及400C時(shí)， 其反應(yīng)速率為-rA = A=l6mol/（scm3）,如果要求催化劑內(nèi)擴(kuò)散對(duì)總速率基本上 不發(fā)生影響，問(wèn)催化劑粒徑如何確定（已知De=10-

8、3cm2/s）o解：對(duì)于一級(jí)氣固相催化反應(yīng)有r =kcr 10-6k = F = =0.15-1C 10-2 X10-3A要求催化劑中內(nèi)擴(kuò)散對(duì)總速率基本上不發(fā)生影響則有，8 n越大，本征反應(yīng)速率越大，則擴(kuò)散過(guò)程對(duì)反應(yīng)速率影響越大，n值 V越??；De越大，擴(kuò)散速率越大，則本征反應(yīng)對(duì)反應(yīng)速率影響越大，n值越大。分析氣一液相快速反應(yīng)的特點(diǎn)。根據(jù)氣一液相擬一級(jí)快速反應(yīng)的宏觀速率方 程，簡(jiǎn)述提高反應(yīng)速率的措施。解：特點(diǎn)為A與B之間的反應(yīng)速率較快，反應(yīng)發(fā)生在液膜內(nèi)的某一區(qū)域中，在液 相主體不存在A組分，也不發(fā)生A和B之間的反應(yīng)。擬一級(jí)快速反應(yīng)的宏觀反應(yīng)速率方程r=kca$ la m tanhy其中，y =

9、6/D = Jkc D /kL、 BL LA BL LA LA提局反應(yīng)速率的措施：提高Hatta （八田）數(shù)Y ：可以通過(guò)提高B在液相主體的濃度A在 液相中的擴(kuò)散系數(shù)Dlao提高CAi：加大氣相中A的分壓提高a：改善傳質(zhì)，即提高A在液相中的擴(kuò)散系數(shù)DT減少液膜厚度i3.2在氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，向一連續(xù)反應(yīng)器內(nèi)裝入質(zhì)量為凹的催 化劑（填充層高外），保持溫度、壓力、進(jìn)口物料組成不變，改變反應(yīng)物A的進(jìn) 料摩爾流速A0,測(cè)定相應(yīng)的反應(yīng)率得到么m/%AO曲線。在同一反應(yīng)器內(nèi) 裝入質(zhì)量為”2 （填充層高度為叫）的催化劑，在同樣的溫度、壓力和進(jìn)口物料組 成的條件下得到另一條xm/ qnAQ曲線（

10、見(jiàn)圖1）。簡(jiǎn)要回答以下問(wèn)題：（1）說(shuō)明如何利用該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定消除外擴(kuò)散影響的物料流速條件，并說(shuō)明 理由。（2）和叫的大小關(guān)系如何，為什么？（3）該實(shí)驗(yàn)較宜使用積分反應(yīng)器還是微分反應(yīng)器？為什么？解：（1）兩條曲線重合部分的實(shí)驗(yàn)條件，說(shuō)明兩種情況下盡管有線速度的差別， 但不影響反應(yīng)速率，在這種實(shí)驗(yàn)條件下，即可以認(rèn)為消除外擴(kuò)散的影響對(duì)于不同填充高度當(dāng)m/0nAO相同時(shí)，即0nA（/m相同，即單位質(zhì)量催化劑處理 物料相同，不同的只是7?增加，則有幻一一inAof一0vof一線速度7。所以當(dāng)兩 線重合時(shí)，說(shuō)明線速度f(wàn)不影響反應(yīng)速度，即外擴(kuò)散影響已經(jīng)消除。（2）若外擴(kuò)散未消除，幻一一0nAof一知。7一

11、線速度7一外擴(kuò)散7一反應(yīng)速度 7一7，所以幻一線速度L所以hih2（3）宜采用積分反應(yīng)器，因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是比較不同/I時(shí)的轉(zhuǎn)化率,而微 分反應(yīng)器要求在5%以內(nèi)（入口處x=Q）,在x.l,平推流反應(yīng)器的反應(yīng)效率高于相同體積的全混流反應(yīng)器。原因?yàn)?全混流反應(yīng)器具有混勻作用，物料進(jìn)入反應(yīng)器后被稀釋，濃度降低，反應(yīng)效率降 低，故”匕。根據(jù)平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程可得-m（i-。.6） = k；k 一mo =0.61k im (1)/T0.4根據(jù)全混流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程有0 4 =二一所以,1+k TmE由1 nk = Ink 有0 RT TOC o 1-5 h z i k 84x103 z 11、In -p

12、-=()k 8.32 T 150 + 273.15mm計(jì)算可得 rm=432K, rm=158.9C 升高 8.9C（4）由（3）可得m( io.6)= * p由2級(jí)全混流反應(yīng)器可得0 4 =（l + f2）2m所以 k -In 0.4/T 壽八 =u. /yGi1-1)/(L) TOC o 1-5 h z Y 0.42k 8.32 T 423.15mm升高4.3C計(jì)算可得T =427.4K, t =154.3 Cmm3.9對(duì)于二級(jí)不可逆液相反應(yīng)ocAA+oIbB一P,試分別給出利用間歇反應(yīng)器、半間歇 反應(yīng)器（B 一次性加入，A連續(xù)加入）和連續(xù)反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)操作情況下，A和 B的轉(zhuǎn)化率的定義式

13、。（10分）解：（1）在間歇反應(yīng)器中，A轉(zhuǎn)化率為X =l-n /nB轉(zhuǎn)化率為x=l-nnB0（2）在半間歇反應(yīng)器中，A轉(zhuǎn)化率為 馬A n + q t TOC o 1-5 h z AO心0B轉(zhuǎn)化率 x =l-n /nDD DU（3）在連續(xù)反應(yīng)器中，A轉(zhuǎn)化率為x=-q /qZ1JL JL 1/1/ IB轉(zhuǎn)化率為x=-qBlqnB03.10某研究單位擬利用以粒狀活性炭為載體的二氧化鈦催化劑進(jìn)行水中低濃度 有機(jī)污染物A的分解研究。已知A的分解反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，現(xiàn)需要確定該反應(yīng) 的本征速率方程（一七=丘/）。請(qǐng)你為該研究單位設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的、可操作性強(qiáng) 的實(shí)驗(yàn)方案（利用間歇反應(yīng)器）o （20分）解：（1）

14、測(cè)定消除外擴(kuò)散影響的實(shí)驗(yàn)條件在一反應(yīng)器內(nèi)裝入質(zhì)量為凹的催化劑，此時(shí)的填充層高度為外，在保持相同 溫度T、壓力P、進(jìn)口物料組成的條件下，改變進(jìn)料流量A0，測(cè)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)化 率;在同一反應(yīng)器內(nèi)裝入質(zhì)量為”2的催化劑，此時(shí)的填充層高度為。2,在同樣的 溫度、壓力、進(jìn)口物料組成的條件下測(cè)定不同ao時(shí)的;做xA-m/qnAQ曲線,求兩曲線重合處的進(jìn)料流量爵和流速。測(cè)定消除內(nèi)擴(kuò)散影響的實(shí)驗(yàn)條件保持溫度、壓力、進(jìn)口物料組成不變，選取進(jìn)料流量qnt和催化劑填裝量H1, 改變催化劑粒徑d，測(cè)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與；做%dp曲線，曲線中不隨變化而變化的區(qū)域，則為無(wú)內(nèi)擴(kuò)散阻力的粒 徑條件。笠取該區(qū)域的催化劑，粒卷為dpt測(cè)

15、量本征速率方程P在相同反應(yīng)器中，保持溫度、壓力、進(jìn)口物料組成不變，選取催化劑粒徑為4廣 進(jìn)料流量為Ivt，則可消除內(nèi)外擴(kuò)散的影響。改變進(jìn)料濃度Cao,測(cè)定出口濃度 根據(jù)積分法或微分法計(jì)算本征速率方程。3.11對(duì)于一級(jí)不可逆液相反應(yīng)A P,利用有效體積為1H13的完全混合流連續(xù)反 應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。將A的濃度為60mmol/m3的液體以0.1m3/h速度流入反應(yīng) 器，在20C條件下，A的轉(zhuǎn)化率達(dá)為80%,試回答以下問(wèn)題。(共25分)在同樣的反應(yīng)物料流量和溫度條件下，利用2個(gè)有效體積為0.5m3的完全混 合流連續(xù)反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)操作，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率？在同樣的反應(yīng)物料流量和溫度條件下，利用5個(gè)有效

16、體積為0.2m3的完全混 合流連續(xù)反應(yīng)器進(jìn)行串聯(lián)操作，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率？在同樣的反應(yīng)物料流量和溫度條件下，利用有效體積為1H13的理想平推流 反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)操作，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率？在同樣的溫度條件下，利用間歇反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)操作，要使A的去除率達(dá) 到80%,反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為多少？根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，討論反應(yīng)器操作方式對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響并簡(jiǎn)要解釋其原 因。解：對(duì)于一級(jí)不可逆液相反應(yīng)，完全混合流連續(xù)反應(yīng)器體積為1H13,則有T= = 10/1V。.1反應(yīng)器出口反應(yīng)物A濃度C =C /(I + kx) = c (1-X )A AOAO A則一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k=0.4h-i(1)2個(gè)完全混合流連續(xù)反應(yīng)器串聯(lián)，單個(gè)

17、反應(yīng)器的空間時(shí)間反應(yīng)器出口反應(yīng)物A濃度c c +）2 = 60/（1 + 0.4 5）2 = 6.67mmol/m3A AO1轉(zhuǎn)化率=88.9%（2） 5個(gè)完全混合流連續(xù)反應(yīng)器串聯(lián)，單個(gè)反應(yīng)器的空間時(shí)間反應(yīng)器出口 反應(yīng)物 A 濃度 c = c !（l + h ）5 = 60/（1 + 0.4 -2）5 =3.1 Smmol/m3A AO*5轉(zhuǎn)化率 X =94.7%（3）采用平推流反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)操作，反應(yīng)器的停留時(shí)間c = _L = J_ = io白0V 反應(yīng)器出口反應(yīng)物 A 濃度 c - c - e- = 60 - e-ioxo.4 - 1 AOmmol /m3 A A0轉(zhuǎn)化率 X =98.2%（4）采用間歇反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)操作，有一m（i-Xa）= k0.4反應(yīng)器出口反應(yīng)物 A 濃度 c - c - e- - 60 - e-ioxo.4 - 1 AQmmol /m3A A0轉(zhuǎn)化率 XA=98.2%（5）反應(yīng)器操作方式對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響對(duì)于完全混