《催化反應(yīng)工程》試題

實(shí)用文檔碩士《催化反應(yīng)工程》試題注意：每大題各20分，第一至第四大題必做，第五、第六大題任選一題。一、獨(dú)立反應(yīng)數(shù)與獨(dú)立反應(yīng)1．說明反應(yīng)體系的獨(dú)立反應(yīng)數(shù)與其原子矩陣和化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣秩的關(guān)系；獨(dú)立反應(yīng)數(shù)=反應(yīng)組分(n)-原子矩陣的秩(Rβ)獨(dú)立反應(yīng)數(shù)=化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣的秩(R)2．以甲烷為原料通過變換反應(yīng)制造合成氣時(shí)，反應(yīng)體系中包含以下組分：CO2、H2、CO、CH4、H2O、N2，確定反應(yīng)系統(tǒng)的獨(dú)立反應(yīng)數(shù)，并寫出一組獨(dú)立反應(yīng)。β=對(duì)原子矩陣進(jìn)行列變換之后：β=由此得原子矩陣的秩(Rβ)=4獨(dú)立反應(yīng)數(shù)=反應(yīng)組分(n)-原子矩陣的秩(Rβ)=6–4=2選定CH4和CO為關(guān)鍵組分，則得出反應(yīng)方程式為：CH4CO+H二、催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)很多研究者對(duì)在氧化鐵催化劑上進(jìn)行的逆變換反應(yīng)CO2+H2=CO+H2O進(jìn)行了研究，并提出了各自的動(dòng)力學(xué)方程。試分析下述動(dòng)力學(xué)方程各代表什么樣的反應(yīng)機(jī)理。1．此過程為催化劑表面吸附態(tài)的反應(yīng)物及產(chǎn)物之間的表面化學(xué)反應(yīng)所控制，其中H2和H2O不被催化劑所吸附。反應(yīng)機(jī)理如下：CO2+M→CO2·MCO2·M+H2→H2O+CO·MCO·M→CO+M推導(dǎo)過程如下：CO2的吸附脫附達(dá)平衡：r1CO的吸附脫附達(dá)平衡：r3催化劑表面：QUOTEθv+θco2+化學(xué)反應(yīng)控制，則：r2將QUOTEθvθv的值帶入，化簡得：r2令QUOTEKCO2=ka,co則可以得：2．此過程為催化劑表面吸附態(tài)的反應(yīng)物及產(chǎn)物之間的表面化學(xué)反應(yīng)所控制，其中H2不被催化劑所吸附，CO2占據(jù)3個(gè)活性吸附位，H2O占據(jù)2個(gè)活性吸附位。反應(yīng)機(jī)理如下：CO2+M→3(CO2)1/3·M3(CO2)1/3·M+H2→2(H2O)1/2·M+CO·MH2O+M→2(H2O)1/2·MCO·M→CO+M推導(dǎo)過程如下：CO2的吸附脫附達(dá)平衡：r1H2O的吸附脫附達(dá)平衡：r3CO的吸附脫附達(dá)平衡：r4催化劑表面：θv解得：θv化學(xué)反應(yīng)控制，則：r2將QUOTEθvθv的值帶入，化簡得：r2令QUOTEK3=ka,co2則可以得：三、傳質(zhì)過程對(duì)反應(yīng)的影響在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行A的一級(jí)不可逆分解反應(yīng)，催化劑為直徑6mm的球形顆粒，床層的空隙率為0.5，操作壓力0.1013MPa，溫度500℃，氣相主體中反應(yīng)組分A的摩爾分率yAg=0.5。已知單位體積床層的反應(yīng)速率常數(shù)為0.333s-1，組分A在催化劑顆粒內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)為0.00296cm2/s，外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)為40m/h。計(jì)算：催化劑的等溫內(nèi)部效率因子，并判斷內(nèi)部傳質(zhì)的影響是否嚴(yán)重；解：有效擴(kuò)散系數(shù)De=0.00296cm2/s?2則：QUOTE??R3kcAn-1則：QUOTEηi=3?1tanh則：QUOTEηi?2=0.52×1.52由此，QUOTE0.16<ηi?2<30.16<ηi催化劑外表面的濃度cAs，并判斷外部傳質(zhì)的影響是否嚴(yán)重；外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)：kg=40m/h氣相濃度QUOTEcAb=PART單位體積催化劑的外表面積QUOTEa=催化劑外表面積催化劑體積=4πd2一級(jí)反應(yīng)：QUOTEDa=kkgηe由QUOTEDaDa很小且QUOTEηeηe接近與1，此時(shí)外部傳質(zhì)對(duì)內(nèi)擴(kuò)散的影響小。催化劑外表面的濃度cAs：QUOTEcAs=cAb1+D表觀反應(yīng)速率。rA四、催化反應(yīng)器分析1．建立管式固定床反應(yīng)器的二維數(shù)學(xué)模型；管式固定床反應(yīng)器管徑大和反應(yīng)熱效應(yīng)大時(shí)，管中心和管壁溫度差別較大，造成徑向上存在較大反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃度上的差別，因此建立其二維數(shù)學(xué)模型，考慮從軸向和徑向的濃度分布以及溫度分布。選微元：管式反應(yīng)器軸心線為中心線，半徑為r，徑向厚度為dr軸向高度為dz的環(huán)狀微元體。物料衡算：（軸向進(jìn)出）進(jìn)：2πrdr·ucA出：2πrdr·u（cA+QUOTE?CA?zdz?C（徑向進(jìn)出）進(jìn)：-2πrdz·DerQUOTE?CA?r?C出：-2π(r+dr)dz·Der（QUOTE?CA?r?CA?r+QUOTE?2CA?微元體反應(yīng)量：2πrdrdzρ(-rA)定態(tài)操作條件下：進(jìn)微元體的量–出微元體的量=微元體中反應(yīng)量(2πrdr·ucA)+(-2πrdz·DerQUOTE?CA?r?CA?r)-[2πrdr·u（cA+QUOTE?CA?zdz?CA?zdz）]-[-2π(r+dr)dz·Der（QUOTE?CA?r?CA?r+QUOTE?化簡得到：uQUOTE?CA?z?CA?z=Der(QUOTE?2CA?r2?2CA?r2+QUOTE1同理可推導(dǎo)出能量衡算式：uρRcPQUOTE?T?z?T?z=QUOTEλλer(QUOTE?2T?r2?2T?r2+QUOTE1r?T?r1r?T2．試討論管式固定床反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性條件及其允許的最大溫度差和允許管徑。反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性，即要保證反應(yīng)器產(chǎn)熱速率和移熱速率相當(dāng)，以保證反應(yīng)器在熱定態(tài)下進(jìn)行。針對(duì)產(chǎn)熱大的反應(yīng)則要求移熱線斜率足夠大，即反應(yīng)器應(yīng)具有足夠大的換熱面。針對(duì)簡單反應(yīng)，進(jìn)行徑向熱量衡算：-λ邊界條件：r=0，r=R，λrθ=(T--dδ=E-dQUOTET-Tw?TwT-Tw?Tw時(shí)，則QUOTE所以：QUOTE11+ERTwθ則得：QUOTE-d2θdρ2邊界條件：ρ=0，ρ=1，當(dāng)QUOTEδ>δcδ>δc時(shí)，則熱不穩(wěn)定；反之，可得熱穩(wěn)定條件QUOTEδ<δc由此計(jì)算，QUOTERmax=2λrR當(dāng)QUOTEδc=2.0δc=2.0時(shí)，可得QUOTEθmax=1.37θmax=1.37，最大徑向溫差則為QUOTET-Twmax=五、催化劑的內(nèi)部效率因子計(jì)算式推導(dǎo)在球形催化劑顆粒上進(jìn)行等溫一級(jí)可逆反應(yīng)A=P，動(dòng)力學(xué)方程為rA=k1cA-k2cP。試推導(dǎo)該催化劑等溫內(nèi)部效率因子計(jì)算式。六、傳質(zhì)過程對(duì)選擇性的影響試分析內(nèi)部傳質(zhì)過程對(duì)串聯(lián)反應(yīng)A→P→R的中間產(chǎn)物P的選擇性影響。分析:球形等溫物料衡算得知：De,ADe,P邊界條件：QUOTEr=0時(shí)，dcPdr=由物料衡算式子可以得到A和P的濃度分布，則：-r其中QUOTE?1和?2為Thiele令QUOTEa=De,PDe,A，K=則：QUOTE-rPrA=-d若內(nèi)部效率因子均為1，即內(nèi)擴(kuò)散對(duì)過程無影響，則：-d若QUOTEThiele模數(shù)?1和?2均大于-d兩者相減，則得：Δ-若QUOTEa=1，令A(yù)=1-aKaK+1，當(dāng)QUOTEK>1K>1，則QUOTEA>0，B<0A>0，B<0，則QUOTEΔ-dcPd當(dāng)QUOTEK