《化工反應(yīng)原理與設(shè)備》課后習(xí)題

《化工反應(yīng)原理與設(shè)備》課后習(xí)題答案

模塊」基礎(chǔ)知識

硬度就是單位面積上所受的力。就維氏硬度來說，“單位面積”就是指的壓痕大小，“力”就是載荷

也就是祛碼的重量,HV1、HV10、HV30分另U是1KG、10KG和30KG。載荷的選擇跟工件的材料、大小、

厚薄、硬化層深度有關(guān)。

同時(shí)，硬度的實(shí)質(zhì)是材料抵抗塑性變形的能力。材料的這種性能是跟顯微組織有關(guān)的，是材料各

組成相機(jī)械性能的綜合體現(xiàn)。如果單位面積壓痕內(nèi)材料的組織愈均勻，則打出來的硬度愈能體現(xiàn)材

料本身的真實(shí)性能。所以，一般來說，硬度測試都盡可能選擇大的載荷，以期能獲得最大的壓痕，

以代表最多的組織的綜合性能。

HV1的壓痕較小，硬度測試時(shí)對組織的敏感性較強(qiáng)。打表面硬度時(shí)壓痕內(nèi)殘奧占多數(shù)與馬氏體占

多數(shù)得到的硬度差別會很大，同樣道理打心部硬度時(shí)，也要考慮到鐵素體及貝氏體的影響。我的經(jīng)

驗(yàn)，用HV1測試齒輪的表面硬度及心部硬度時(shí)，能否跟HV30或HRC、HRA直接換算，一般來說，如

果表面殘奧一級，心部100%板條馬氏體的話，則表面硬度和心部硬度用HV1、HV10、HV30以及HRC、

HRA測試結(jié)果一致。

回到樓主的問題，齒輪的表血硬度以及心部硬度測試，如果表面有效硬化層深度在0.4mm以上,

可以用洛氏硬度測試，HRC或HRA均可，然后依據(jù)《GB/T1172-1999黑色金屬硬度和強(qiáng)度換算值》

換算為HV30；心部硬度可以直接測試HRC,換算為心部強(qiáng)度（測試心部硬度的最終目的也就是為了

獲得心部強(qiáng)度）再換算為HV10（如果有必要的話）。

1維氏硬度試驗(yàn)從理論上如果材料均勻的話與載荷無關(guān)，也就是說測出的硬度是一樣的。

2但實(shí)際生產(chǎn)中不是這樣，偏差很大，可以理解為：材料不均勻造成硬度不均勻；載荷越小，壓痕

越小，測量人為誤差越大。因此，盡可能采用大載荷減小測量誤差。

3注意載荷的選擇要考慮硬度值范圍，如果材料本身硬度低載荷選擇過大，會造成壓痕過大反而不

好測量

填空題

1.連續(xù)、半連續(xù)、間歇；2.微元忖間，微元體積，濃度，溫度;

3.0,0.15mol/（m3s）；

4.-1,-2/3,O.4NAO

5.CAG>CAS>CAC>CAC，CAG七CAS》CAC?CASCAG》CASGCACgCAC；

6.無窮大，0；7.越大，相等；

8.表面反應(yīng)速率，內(nèi)擴(kuò)散速率；9.均相，非均相，動力學(xué)特性；

10,極慢速反應(yīng)；

判斷題

12345678910

XXXXXXXXX

思考題

1.三種操作方式：間歇操作、連續(xù)操作、半連續(xù)操作。

間歇操作

間歇反應(yīng)過程是一個(gè)非定態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)物系的組成隨時(shí)間而變，這是間歇過程的基本特征.

間歇反應(yīng)器在反應(yīng)過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出，即不存在物料的流動，整個(gè)反應(yīng)

過程都是在恒容下進(jìn)行的。反應(yīng)物系若為氣體，則必充滿整個(gè)反應(yīng)器空間;若為液體，雖不充滿整個(gè)

反應(yīng)器空間，但由于壓力的變化而引起液體體積的改變通?？梢院雎裕虼税春闳萏幚硪沧銐驕?zhǔn)確。

連續(xù)操作

連續(xù)操作的反應(yīng)器多屬于定常態(tài)操作過程，即反應(yīng)器內(nèi)任何部位的物系參數(shù)，如濃度及反應(yīng)溫

度等均不隨時(shí)間而改變，只隨位置而變。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器絕大部分都是采用連續(xù)操作，因

為它具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)。這些都是間歇操作無法

與之相比的。然而連續(xù)操作系統(tǒng)一旦建立，想要改變產(chǎn)品品種是十分困難的，有時(shí)甚至要較大幅度

地改變產(chǎn)品產(chǎn)量也不易辦到，但間歇操作系統(tǒng)則較為靈活。

半連續(xù)（半間歇）式操作

半連續(xù)反應(yīng)器的反應(yīng)物系組成必然既隨時(shí)間而改變，也隨反應(yīng)器內(nèi)的位置而改變。

2.反應(yīng)器內(nèi)存在不同停留時(shí)間的流體粒子以及不同停留時(shí)間流體粒子之間的混合即返混。原因：

⑴滯留區(qū)的存在⑵溝流和短路⑶循環(huán)流⑷流體流速分布不均勻⑸擴(kuò)散。

3.⑴沉淀法⑵浸漬法⑶混合法⑷熔融法⑸離子交換法。

4.理想置換流動模型：方差b：=0,oj=0；平均停留時(shí)間：f=r=%/匕，）=1。理想混

合流動模型：平均停留時(shí)間f=7=%/匕，e=[oe-6de=i,方差4=d,

0=[入-，布-1=1。

5.根據(jù)雙膜理論反應(yīng)過程可描述如下：

⑴氣相中的反應(yīng)組分A從氣相主體通過氣膜向氣液相界面擴(kuò)散，其分壓從氣相主體處PAG的降

至界面處PAi.

⑵在相界面處組分A溶解并達(dá)到相平衡。服從亨利定律。此時(shí)PAI=HACAi,其中必是亨利

系數(shù)，尸小是相界面出組分A的濃度。

⑶溶解的組分A從相界面通過液膜向液相主體擴(kuò)散。在擴(kuò)散的同時(shí)，與液相中的反應(yīng)組分B發(fā)

生化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物。此過程是反應(yīng)與擴(kuò)散同時(shí)進(jìn)行。

⑷反應(yīng)生成的產(chǎn)物向其濃度下降的方向擴(kuò)散。產(chǎn)物若為液相，則向液體內(nèi)部擴(kuò)散；產(chǎn)物若為氣

相，則擴(kuò)散方向?yàn)椋阂合嘀黧w一液膜一相界面一氣膜一氣相主體。

6.七步：反應(yīng)物外擴(kuò)散，內(nèi)擴(kuò)散，吸附，表面反應(yīng)，脫附，產(chǎn)物內(nèi)擴(kuò)散，外擴(kuò)散。

7.理想吸附認(rèn)為吸附活化能不隨覆蓋率的變化而變化，而真實(shí)吸附認(rèn)為吸附活化能隨覆蓋率的變

化而變化。

8.定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式稱為化學(xué)動力學(xué)方程。宏觀動力學(xué)與本征

動力學(xué)的區(qū)別是，宏觀考慮了傳質(zhì)過程。

9.①外擴(kuò)散做控制步驟即內(nèi)擴(kuò)散過程的阻力很小，表面反應(yīng)過程的速率很快。反應(yīng)過程的速

率取決于外擴(kuò)散的速率。濃度變化為：CAG?CAS^CAC^CAC

②內(nèi)擴(kuò)散做控制步驟即反應(yīng)過程的傳質(zhì)阻力主要存在于催化劑的內(nèi)部孔道，表面反應(yīng)過程的

速率和外擴(kuò)散的速率很快。濃度變化為：CAG^CAS?CAC^CAC

③表面反應(yīng)做控制步驟即傳質(zhì)過程的阻力可以忽略，反應(yīng)速率主要取決于表面反應(yīng)過程。通

常稱為動力學(xué)控制。濃度變化為：CAG^CAS^CAC?CAe

10.轉(zhuǎn)化率x.=nA0~nA

nA0

收率在系統(tǒng)系統(tǒng)中生成目的消耗的關(guān)耗的關(guān)鍵組分的量

■_加入系統(tǒng)入系統(tǒng)中的關(guān)的物質(zhì)物質(zhì)

產(chǎn)率在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物消耗的關(guān)鍵組分的物質(zhì)的量

■參加反應(yīng)的關(guān)鍵組分的物質(zhì)的量

三率的關(guān)系為：y=x.s

計(jì)算題

415l13

1.kp=kc--?-^=2.654X10X-------------------=1.66xlO_mol-L-S'-Pa

(RT)3(8314x303)3

2.因?yàn)镃AO=CBO>所以CA=CB>即(一%)=CA,則kt=---------------—>XA=0.9

CA()If

A+o<=>Ao

3.反應(yīng)機(jī)理：Ao+B-CG+D(控制步驟)

、Co=C+o

_d%=nAodXA=UXA=CAodXA=]2C1-XA

4.A0

Vdt-V-dt-V0(l+5AxAyA0).dt-(l+5AxAyA0).dt(l+5AxAyA0)

dx

^=1.2x(l-x.)=1.2x0.15=0.18

dtA

孔容Vg=’——---------=0.24,孔隙率￡=&以=L652.7=039

5.

PpPs1-652.71自

PP

黑=0.436X序號*匕0.436x.723也呼黃32)：。叱/s

6.=

p(V《+V/)2101.3x(22.44%+16.6%>

g￡f)37

De=D上=DAR上=0.91x'=0.09cm2/s,

TABT3.8

ec3(p?$—-e-3(p9e—3x1.05—e_-3x1.05

tan(3(p)=-3(p=3x1.05-3x1.05=1

se3+esse+e

n=—[--------------------1=-----[-----------]=0.65

(pstan(3(ps)3(ps1.0513.15

4mm球形催化劑：(p=~~-\~—=0.7,

s3VDe3V0.09

e3<Ps_e-3<Pse3x0-7_e_3x0.7

tanQcps)=-3<p=3x0.7-3x0.70.97,n=—(―--------)=0.79

e3(Ps+ese+e0.70.972.1

圓柱形催化劑:

VsR_兀?(0.3)2?0.6py

r|=0.65

s7VDe-2n-0.32+nx0.6x0.6VK69

7.參考例題1?8

,PB,0.64cc。cdG0.43x2000x10004-10000

￡n~1-=11=U.2y>Iv——\

-4

PP0.89|ig(l-￡B)1.4xl0x(1-0.28)x3600

-051

0.3<236.99<300,JD=2.10x236.99=0.129

_PM_101.3x2443

Ps-RT_8314x(220+273)5.93xl0-g/cm

.JG...0.129x2000x1000.1.4x10^_口一.

k=-iD2—(―—)2/3=-------------------------x(-----------------)x2/3=13.11cm/s

fi-4-4

papuD3600x10000x5.93xlO5.93x10x0.267

8.要消除內(nèi)擴(kuò)散，(p=-,^<0.3,WJR<0.3x3j-=0.3x3xJ-=0.09cm

s

3VDeVkvV0.1

9.4x-=--5--.-6-x--l--0-"-m--,---

1.06x350x10000

7

DK=4850doJ，=4850x5.6xl0-x^(500+273^/^=00069cm2/s

0.52

De==0.0011cm2/s

(%.155+%.OO69)X3

10.V=乂(1+勾*人丫人0)>l+8AxAyA0=2,xA=%，

一級反應(yīng)：一型&=kCA，1—XA

*ka-xA),

Vdt人

(l+SAxAyA0)

k=ln(——5——)/t=ln(1

)x-=0.137min-1

If1-2/38

模塊二釜式反應(yīng)器

填空題

1.分子間碰撞，傳質(zhì)，傳熱；2.QC=QR，；

RdTdT

3.7.8s,623.8s；4.操作線，動力學(xué)線；

v

5.V="，物料的性質(zhì)，攪拌器類型;

6.VR(-rA)(-AH),KA(T-Tw)；

(P

7.小于，各釜體積相等；8.裝料，卸料，清洗；

9.攪拌釜封頭，攪拌軸，填料密封，機(jī)械密封；

10.反應(yīng)器本身對熱的擾動有無自行恢復(fù)平衡的能力,反應(yīng)過程中各有關(guān)參數(shù)(流量、進(jìn)口溫度

冷卻溫度等)發(fā)生微小變化時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的溫度將會有多大的變化;

判斷題

12345678910

XXXXVXXXXV

思考題

1.因?yàn)槎喔?lián)完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反應(yīng)器體積小于單釜情況，所以多釜串聯(lián)釜式反應(yīng)器的生產(chǎn)

能力大于單釜釜式反應(yīng)器。

2.作用：反應(yīng)器內(nèi)的物料借助攪拌器的攪拌，達(dá)到物料的充分混合，增強(qiáng)物料分子碰撞，強(qiáng)化反

應(yīng)器內(nèi)物料的傳質(zhì)傳熱。

選擇：工業(yè)上攪拌器的選型主要根據(jù)流體的流動狀態(tài)、流體性質(zhì)、攪拌目的、攪拌容量及各種

攪拌器的性能特征來進(jìn)行。一般情況下，流體的粘度對攪拌的影響較大，所以，可根據(jù)液體粘

度來選型。對于低粘度液體，應(yīng)選用小直徑、高轉(zhuǎn)速攪拌器，如旋漿式、渦輪式；對于高粘度

液體，應(yīng)選用大直徑、低轉(zhuǎn)速攪拌器，如錨式、框式和槳式。另外，攪拌目的和工藝過程對攪

拌的要求也是選型的關(guān)鍵。對于低粘度均相液體混合，要求大的循環(huán)流量，因此主要選擇各旋

漿式攪拌器。對于非均相液液分散過程，要求液體渦流湍動劇烈和較大的循環(huán)流量，應(yīng)優(yōu)先選

擇渦輪式攪拌器。對于固體懸浮操作，必須讓固體顆粒均勻懸浮于液體之中，當(dāng)固液密度差小,

固體顆粒不易沉降的固體懸浮，應(yīng)優(yōu)先選擇旋漿式攪拌器。當(dāng)固液密度差大，固體顆粒沉降速

度大時(shí)，應(yīng)選用開啟式渦輪攪拌器。對于結(jié)晶過程，往往需要控制晶體的形狀和大小，需要有

較大的循環(huán)流量，所以應(yīng)選擇渦輪式攪拌器和槳式攪拌器。對于以傳熱為主的攪拌操作，控制

因素為總體循環(huán)流量和換熱面上的高速流動。因此可選用渦輪式攪拌器。當(dāng)反應(yīng)過程需要更大

的攪拌強(qiáng)度或需使被攪拌液體作上下翻騰運(yùn)動時(shí)，可在反應(yīng)器內(nèi)裝設(shè)擋板和導(dǎo)流筒。

3.做(-Q-XA或(-1)-CA圖，通過比較圖形面積來進(jìn)行生產(chǎn)能力的比較:

BRCSTR

（1）如果BR的輔助時(shí)間為0,則三種反應(yīng)器的生產(chǎn)能力與上圖中的陰影面積成正比，即

BR>n-CSTR>CSTRo

（2）如果BR的輔助時(shí)間不為0,n-CSTR>CSTR,但是不能定性確定BR的生產(chǎn)能力大小，

其與輔助時(shí)間有關(guān)。

4.反應(yīng)釜的傳熱裝置主要有夾套式、蛇管式、外部循環(huán)式等。夾套式換熱般適用于傳熱面積較

小且傳熱介質(zhì)壓力較低的情況。當(dāng)工藝過程中需要的較大的傳熱面積，單靠夾套傳熱不能滿足

要求時(shí)，或者是反應(yīng)器內(nèi)壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料不宜使用夾套式換熱時(shí)，可采用蛇管、

插入套管、列管式換熱器等傳熱。對于大型反應(yīng)釜，需高速傳熱時(shí)，可在釜內(nèi)安裝列管式換熱

器。除了采用夾套和蛇管等內(nèi)插傳熱構(gòu)件使反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行換熱之外，還可以采用各

種型式的換熱器使反應(yīng)物料在反應(yīng)器外進(jìn)行換熱，即將反應(yīng)器內(nèi)的物料移出反應(yīng)器經(jīng)過外部換

熱器換熱后再循環(huán)回反應(yīng)器中。另外當(dāng)反應(yīng)在沸騰溫度下進(jìn)行且反應(yīng)熱效應(yīng)很大時(shí)，可以采用

回流冷凝法進(jìn)行換熱，即使反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽通過外部的冷凝器加以冷凝，冷凝液返回反應(yīng)

器中。采用這種方法進(jìn)行傳熱，由于蒸汽在冷凝器以冷凝的方式散熱，可以得到很高的給熱系

數(shù)。有時(shí)若進(jìn)行反應(yīng)釜小試時(shí)，還可以采用電加熱的方式。

5.同時(shí)滿足QC=QR和—°，>,的點(diǎn),即為熱穩(wěn)定點(diǎn)。

dTdT

6.主要控制溫度和壓力。在操作過程中，溫度應(yīng)該最難控制，溫度控制方案主要有以下三種：通

過夾套冷卻水換熱：組成反應(yīng)釜?dú)庀嗤庋h(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)循環(huán)氣的溫度，調(diào)整易冷凝氣體回

流入釜的量來控制反應(yīng)釜的溫度；通過釜外料液循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)整料液循環(huán)溫度從而控制反應(yīng)釜

的溫度。另外反應(yīng)釜的壓力控制也很重要。反應(yīng)釜壓力的變化主要是由于反應(yīng)過程中物料的蒸

汽分壓的變化造成的，因此釜壓的控制也可以通過控制溫度來調(diào)節(jié)。但當(dāng)反應(yīng)釜壓力過高時(shí)則

需要選擇通過放空來降低反應(yīng)釜的壓力。

7.解析法：列出公式丫口=工唳或，再將式

VRi=FAO一（與*譽(yù)））=CA°VO帶入,然后對該式求導(dǎo)使其等于0,即可

（-rA）i（-rA）i

得到最優(yōu)條件卜的相應(yīng)變量。

圖解法：已知處理量V。、初始濃度CAO和最終轉(zhuǎn)化率XAN，要求確定串聯(lián)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器

的釜數(shù)和各釜的有效體積，也可以在繪有動力學(xué)曲線的（-口）?CA圖上進(jìn)行試算。若各釜的有

效體積相同時(shí)，根據(jù)操作線方程，假設(shè)不同的VR「就可以在CA和CAN之間做出多組具有不同

斜率、不同段數(shù)的平行直線，表示著釜數(shù)N和各釜有效體積丫對值的不同組合關(guān)系。通過技術(shù)

經(jīng)濟(jì)比較，確定其中一組為所求的解。

8.N個(gè)連續(xù)串聯(lián)操作釜數(shù)反應(yīng)器進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，各釜的溫度相同，則體積為：

XA1-XA0+XA2~XAI+-+XANXA(N-I)\

1—XAI1—XAI1-XAI

上式對轉(zhuǎn)化率求偏導(dǎo)數(shù)得:

OVR^0r^~XA(i-l)_________1]

L2-(i=l,2-.N-1)

SXAiT(l-xAi)l-xA(i+1)

若使反應(yīng)體積最小，則dVR/dxAi=0

]XA(I)11-XA(i-l)「XAi

或

1-X

(1—XAi)JXAG+1)Ai1_XA(i+l)

化簡可得：/(XAi-X"或)=(XA(i+D二XAi)

即：=v?,+I

k0—XA(i+l))

kd-xAi)

9.在反應(yīng)初期由于反應(yīng)物的初始濃度較大，反應(yīng)速率比較快，所選用的換熱介質(zhì)的溫度較高。但

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物濃度以逐漸卜一降，反應(yīng)速率也逐漸卜降，要求換熱介質(zhì)的溫度較低，

但換熱介質(zhì)的最低溫度是有限制的，不能無限制地降低。因此就要求采用不同的換熱面積來適

應(yīng)。尤其對于等溫反應(yīng)，必須根據(jù)反應(yīng)的進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整換熱方案。例如某吸熱反應(yīng)裝置的換熱

方案如下：在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置兩組加熱盤管，其中一組盤管的傳熱面積為6.65cn?,另一組盤管的

傳熱面積為3.59cn?,可用加熱蒸氣的溫度為110℃?180C。在反應(yīng)開始時(shí)采用180C的蒸汽，

兩組傳熱面均使用以確保反應(yīng)初期的供熱速率。隨反應(yīng)的進(jìn)行，蒸汽溫度同步下降，到某一反

應(yīng)時(shí)刻時(shí)，蒸氣溫度已降至110℃。此時(shí)停一組加熱盤管，同時(shí)調(diào)整蒸汽溫度為158℃。然后隨

著反應(yīng)的進(jìn)行，再同步下降換熱蒸汽的溫度，當(dāng)反應(yīng)完成時(shí)，蒸氣溫度降至110℃。

10.BR：反應(yīng)器內(nèi)溫度處處相同，時(shí)時(shí)不同，隨反應(yīng)時(shí)間發(fā)生變化。

CSTR：反應(yīng)器內(nèi)溫度處處相同，時(shí)時(shí)相同。

n-CSTR：各反應(yīng)器內(nèi)溫度處處相同，各釜溫度不同。

計(jì)算題

------------------=--------X---------=9900s

k(CA0.01lo.Ol

焉,島=9980s

焉*島-A]=9990s

討論：對于二級反應(yīng)，當(dāng)最終濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始濃度時(shí)，初始濃度的改變對反應(yīng)時(shí)間的影響不

明顯。

xX

2.由題意知：VR=Vo-,6VR=Vo/人2,其中XA|=o.5,則xA2=0.857o

kQ-XA1)kQ-XA2)

3.略

XX—X

4.根據(jù)題意VR|=V。-一—=VR2=V。一紅，XAf=0.9,則xA1=68.38%。每個(gè)

k(l-xA1)k(l-xAf)

3

反應(yīng)器體積為：RI=V———=——X-------：----------=0.268mo

VRlo

°k(l-xA1)24x600.0806x(1-0.6838)

5.略

6.由題意知(-r人)=k|CA—k2Cp=k]CA0(1—xA)—k2CA0xA

則VRI=Y)-------小5---------二V(l-------X-------=2.14m3

k,CAO(l-xA)-k2CAOxAk,(l-xA)-k2xA

7.由題意知：T=----------再j----------

72

k,CA0(l-xA)+k2C^(l-xA)k,CA0(l-xA

R的收率、得率：Y=&-=------1內(nèi)0-￡-)------=60.8%

2

CA0kt(l-xA)+k2CAO(l-xA)

R的選擇性：S=X=23竺=67.6%

XA0.9

8.(1)每一個(gè)釜的平均停留忖間：1=3=20,貝ij[N=i=20N，

V。

2

Qg=o^/to；=o：/F=(「t2E(t)dt-F)/F=包2_40?N=,所以模型參數(shù)N=1.

/400N2N

(2)%=—上一，得XA=75%

Vok(l-xA)

XA0.75

9.⑴VR=V。=2x=0.6m?

k(l-xA)10x0.25

3

⑵VR=V0[lln(-^—)+t')=1.8m

kIf

53

也一，乂人一*人1

⑶VR,=Vo—=2x---=0.2mVR2=Vo?=02m3

°k(l-xAI)10x0.5k(l-xA1)

(4)由題⑶可知，等體積的反應(yīng)器體積為0.2n?。

模塊三管式反應(yīng)器

填空題

1.T=l/Sv；2.有效體積，大;

3.T,CA；4.不同；

5.動力學(xué)，反應(yīng)器，生產(chǎn)能力，選擇性；

判斷題

12345

XJXXX

思考題

1.反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)濃度不隨時(shí)間發(fā)生變化，沿流動方向發(fā)生變化。

2.當(dāng)反應(yīng)級數(shù)n>0時(shí)，三者的生產(chǎn)能力大小順序：PFR>n-CSTR>CSTR；反應(yīng)級數(shù)n<0時(shí)三者大

小順序：CSTR>n-CSTR>PFR。

3,以提高選擇性為目的，通過比較主副反應(yīng)的級數(shù)來確定所需反應(yīng)器型式及操作方式。

4.管式反應(yīng)器的熱量衡算式￡甌,“=%0公式—△H）.%-與物料衡算式

（一心必匕二b加公.聯(lián)立，便可得到非等溫、非絕熱情況時(shí)所對應(yīng)得反應(yīng)器體積。

5.在等溫等容過程中，相同產(chǎn)量、相同轉(zhuǎn)化率、相同初始濃度和溫度下，所需理想管式流動反應(yīng)

器體積（VQp和理想連續(xù)釜式反應(yīng)器有效體積（VR）S之比稱為容積效率〃，即〃=必"。反應(yīng)

（VR）S

級數(shù)愈高，容積效率愈低。轉(zhuǎn)化率愈高，容積效率愈低。串聯(lián)釜數(shù)N增大，n也增大，但增大

的速度逐漸緩慢，因此通常取串聯(lián)的釜數(shù)為4或者小于4。

計(jì)算題

1.PFR中進(jìn)行的等溫變?nèi)莘磻?yīng)，yA0=1,3A=1。

VVCVCr-(1+5AXy)dx.+21n―1—)=1.47m3

R=OAO1P^=OAOAAQA

(-rA)kCA0(l-xA)I-XA

2.由題意知：yA0=0.5,3A=2,V。=F0RT/P=30x8.314x(185+273)=0079m3/s,

3600x400

V=2-XA+2ln—^―)0.079(-0.8+2xln^)=9.6m3

R-----X

kIf0.02

3.因?yàn)镃AO=CBO,并且是等摩爾反應(yīng)，所以（—rA）=kC；。

XA_xA

⑴==2min,xA=50%

kCA0(l-xA)0.5(l-xA)

V_______,______o5x=2L

⑵VR2=

°kCA0(l-xA)-0.5(1—OS/

XA

V=0.5xIL，X=38.2%

R2A

0.5X(1-XA)

4.由題意知(一1)=1+2。八+(3：=(1+?八)2

AfdxdC^

⑴“CAO(^J=-K?(I+C)2=0.25,

A21+0.21+2

C-C2-0.2

⑵A0Af

22

(l+CAf)1.2

CAO-CAIfCAI"人￡_2-1+1-0.2

(3)若兩個(gè)CSTR串聯(lián):22

d+cA1)(i+cAf)12^

_P1西八C-C_111、1-0.2

若PFR與CSTR串聯(lián):TAIAf)+h=0.64

A-(1+C)2(1+CAf)221+1

A1+2

C—Ci^Af—dC2-111

若與串聯(lián):--A-0-----A1+I---------Az-=—；—I—x(-------------)=0.42

CSTRPFR22

(1+CA1)￡”1+CA)221+0.21+1

r11

各種情況下，產(chǎn)物中P的選擇性均為：Sp=3=---------=--=0.69

22

f(l+CAf)1.2

5.根據(jù)反應(yīng)速率常數(shù)的單位，確定該反應(yīng)為2級，且3A=1,丫八0=1。

空時(shí):

pA.(l+5xy)2dx

AAA()A/_0+2SA/dx%=in(l一XA)+XA]Io35

T=11kC(l-x)22L+4

A0AAkCA0(l-xA)kCA0l-xA

+41n0.65—3.65]=155.3Is

平均停留時(shí)間:

、廣呼，又因?yàn)?―rA)dVR=FA°dxA，所以

d)V

>35FAOfi.35(1+X、)12

<ix=[-----------------K1X=---(In0.65+-2)

'A1kC(l-x)2AkC

(-rA)V0(l+5AxAyA0)A0AA00.65

結(jié)合空時(shí)和平均停留時(shí)間的表達(dá)式可求得平均停留時(shí)間t=128.53s

模塊四固定床反應(yīng)器

填空題

1.空時(shí)，空速，空時(shí)收率；

2.反應(yīng)過程中各有關(guān)參數(shù)（流量、進(jìn)口溫度、冷卻溫度等）發(fā)生微小變化時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的溫度將

會有多大的變化；

3.顆粒內(nèi)傳熱，顆粒與流體間的傳熱；

4.器壁對空隙率分布的影響以及由此造成的對流體流動、傳熱、傳質(zhì)的影響；

5.催化劑大小要均一，充填時(shí)注意保持各個(gè)部位密度均勻，保證催化劑床層各個(gè)部位阻力相同；

消除氣流初始動能，使氣流均勻流入反應(yīng)器床；

判斷題

12345678

VXXVVV

思考題

1.流體通過由不動的固體催化劑構(gòu)成的床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備稱為固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)

器的優(yōu)點(diǎn)：催化劑不易磨損，可長期使用，床層內(nèi)流體的流動接近于平推流，與返混式的反應(yīng)

器相比，它的反應(yīng)速率較快，可用較少量的催化劑和較小的容積的反應(yīng)器獲得較大的生產(chǎn)能力。

此外，由于停留時(shí)間可以控制，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，有利于達(dá)到高的轉(zhuǎn)化率和高的選擇性;

缺點(diǎn)：傳熱較差，催化劑更換時(shí)必須停止生產(chǎn)。

2.分為：①絕熱式固定床單段絕熱式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，反應(yīng)器體積利用率較高。多

段絕熱式反應(yīng)器是在段間進(jìn)行反應(yīng)物料的換熱，以調(diào)節(jié)整個(gè)生產(chǎn)過程的反應(yīng)溫度；②列管式固

定床通常是在管內(nèi)充填催化劑，管間通熱載體，氣體原料自上而下通過催化劑床層進(jìn)行反應(yīng),

反應(yīng)熱通過管壁與管外的熱載體進(jìn)行熱交換；③自熱式固定床設(shè)備更緊湊與高效、熱量利用

率高、易實(shí)現(xiàn)自動控制；④徑向固定床氣體流程縮短，流道截面積增大，雖使用較細(xì)顆粒催

化劑而壓降卻不大，因此節(jié)省了動力，但在此類反應(yīng)器中，氣體分布的均勻性卻是很重要的；

3.①單段絕熱式適用于反應(yīng)熱效應(yīng)較小、反應(yīng)溫度允許波動范圍較寬、單程轉(zhuǎn)化率較低的反應(yīng)過

程，對于熱效應(yīng)較大的反應(yīng)只要反應(yīng)溫度不很敏感或是反應(yīng)速度非?？鞎r(shí)，有時(shí)也使用這種類

型的反應(yīng)器。②當(dāng)反應(yīng)的的熱效應(yīng)較大，反應(yīng)速度又較慢時(shí)，其絕熱升溫必將使反應(yīng)器內(nèi)溫度

的變化超出允許范圍，在這種情況下，應(yīng)采用多段絕熱式反應(yīng)器。③列管式固定床既適用于放

熱反應(yīng)，也適用于吸熱反應(yīng)，特別適用于以中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物的強(qiáng)放熱復(fù)合反應(yīng)。④自熱式

固定床通常只適用于熱效應(yīng)不大的放熱反應(yīng)以及高壓反應(yīng)過程，如合成氨和甲醇的生產(chǎn)過程。

⑤徑向固定床適用于反應(yīng)速度與催化劑表面積成正比的反應(yīng)。

4.床層空隙率的影響因素包括：顆粒大小、形狀、充填方式、表面粗糙度、粒徑分布等。

5.催化劑的有效系數(shù)是指催化劑孔內(nèi)平均反應(yīng)速度與孔道外表面的溫度與濃度為基準(zhǔn)的反應(yīng)速度

之比。它反映了催化劑內(nèi)表面的利用率大小的系數(shù)。

當(dāng)〃時(shí)，表面內(nèi)擴(kuò)散不存在，反應(yīng)過程屬動力學(xué)控制；

當(dāng)〃〈1時(shí)，內(nèi)擴(kuò)散的影響明顯，反應(yīng)過程屬內(nèi)擴(kuò)散控制。

6.具有相當(dāng)大動能的部分原物會直接沖入床層，造成了氣體分布的不均勻性，即不同停留時(shí)間的

物料混合，引起了返混，最終影響到反應(yīng)結(jié)果?可通過在反應(yīng)器的氣流入口處設(shè)附加導(dǎo)流裝置,

如裝設(shè)分布頭、擴(kuò)散錐或填入環(huán)形、柵板形、球形等惰性填料，或增設(shè)環(huán)形進(jìn)料管或多口螺旋

形進(jìn)料裝置等，另外，還可采用適當(dāng)?shù)牧飨?，利用自然對流來調(diào)整各處氣流運(yùn)動的推動力或采

用改變管排列形式的方法，使氣流分布更合理。

7.(1)空間速度指單位時(shí)間內(nèi)通過單位體積催化劑的原料標(biāo)準(zhǔn)體積流量，它是衡量固定床反應(yīng)器

生產(chǎn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)；(2)空間時(shí)間是指在規(guī)定的反應(yīng)條件下，氣體反應(yīng)物通過催化劑床

層中自由空間所需要的時(shí)間，表示同體積的催化劑在相同時(shí)間內(nèi)處理的原料越多；(3)空時(shí)收

率指反應(yīng)物通過催化劑床層時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量(或體積)催化劑所獲得的目的產(chǎn)物量,

它是反映催化劑選擇性和生產(chǎn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

8.以換熱式固定床反應(yīng)器中進(jìn)行放熱反應(yīng)為例，床層溫度分布的主要特征:①在床層中心處即r=0,

溫度To達(dá)最高；②在近壁處即rWR,7＞很低；③在管壁處即r=R,Tw最低。由于床層壁面處

存在“壁效應(yīng)”，較大的空隙率增加了邊界層氣膜的傳熱阻力，所以近壁處的溫度及與管壁溫度

相差也大。如何控制徑向溫度分布？

計(jì)算題

/322]/3

1.dv=1.241Vp=1.24lx[(^-7t0.008-^K0.005)X0.01]=8.4mm

da=0.564x[2x(—TT82-—2)+80?t+50?t]12=12.2mm

44

222

ds=6Vp/Ap=6x[-jt(8-5)X10]/[2X-KX(8-52)+80兀+50兀]=3.9mm

44

(ps=ds/dv=0.46

2.8=1—pB/pp=1—828/1300=0.36

3.dp=1/^—=1.98mm

i=l4

17a

4.(1)Vo=u0-AR=0.2x—KX(0.025-0.005)~=0.136m'/h

(2)Fo=PV0/RT=101325x0.136-8.314^413=4mol/h

(3)w=4x0.46x26+4x0.54x36.5=0.126kg/h

(4)VR=；無(0.025-0.005)2x0.25=7.8x10-5

Sv=V°N/VR=V。(273.15+413)/7.8x10-5=U53h"'=0.32s-'

-5-4

r=VRs/V0=7.8xIOx0.454-0.136=2.58xIO=0.93s

5.改正：題目中氣體的質(zhì)量流速為18.25kg/m2-s

ReM=衛(wèi)(―)=0.00635xl8.25x——+(2.43x107)=1.19x10,

|if1-81-0.6

G18.251ic/口q1rc

u=—=-----=1.19m/s>取f=1.75

0°p15.4

2叫曰“75x64xL9x7.7x『.6)=857xl()4pa

△P=f

m33

dss0.00635x0.6

6.Fo=1.48x(I+1.1+12.5+3.19)=26.33mol/h

53

Vo=F0RT/P=26.33x8.3l4x7334-(l.428xl0)=l.l2m/h

2

u0=V0/AR=I.I-(I/47t0.025)=2281.65m/h=0.63m/s

G=(42x1.48+17x1.48x1.1+29xl.48x12.5+18xl.48x3,19)=0.71kg/h

3

pf=G/V0=0.71-1.12=0.63kg/m

ReM=dsPfUo'/Nf=0.0035x0.63x0.63x——+(3.15x10~)=88.2

1-81-0.5

i-05

AP=(1504-88.2+1.75)x0.63x0.632x2.7x-+0.0035=2662Pa

7.Re=dpG/|if=0.0036x2.65/(3.4xIO-5)=281

丁除5-廣喘“喘/7-35SK)

333

8.(-rA)=(-rA)pP=2.0x10C4x1.8x10=3.6CAm(?Z/(s?m)

與后m笞四白黑I"58,111

而見n=0.5

(ps[_tanh(30s)3%

%=1-a=0444(l-fB)VR=FAJ-^-

PPJ(R)

二(1一%)￡冷=4明；

4r/k1-XA

25

(1-0.444)X-X0.5X3=0-ln(―1—)XA=69.2%

40.5x3.61—XA

9.實(shí)際年產(chǎn)苯乙烯的量：5000x(1+0.015)=5075x103kg

年消耗乙苯的物質(zhì)的量：5075xlO3+104+0.4+0.96=127078kmol

年消耗乙苯的質(zhì)量：127078x106=13470268kg

原料摩爾流量：F。=(127078+13470268x1.518)4-8300=150.6kmol/h

原料標(biāo)準(zhǔn)體積流率：V0N=F0RT/P=150.628.314x273=3373.5m，/h

0N°101.325

V33735

催化劑質(zhì)量：W=PP-VR=Pp-a=i520x——-=1061kg

Sv4830

模塊五流化床反應(yīng)器

填空題

1.熱效應(yīng)很大的放熱或吸熱過程；要求有均一的催化劑溫度和需要精確控制溫度的反應(yīng)；催化劑

壽命比較短，操作較短時(shí)間就需要換(或活化)的反應(yīng)；有爆炸危險(xiǎn)的反應(yīng)，某些能夠比較安

全地在高濃度下操作的氧化反應(yīng)；

2.殼體；氣體分布裝置；內(nèi)部構(gòu)件；換熱裝置；氣固分離裝置；保證流化過程局限在一定的范圍

內(nèi)進(jìn)行，對于存在強(qiáng)烈的吸熱或放熱的反應(yīng)過程，保證熱量不散失或少散失；使氣體的壓力均

勻，使氣體均勻進(jìn)入分布板，從而減少氣體分布板在均勻分布?xì)怏w方面的負(fù)荷；用來破碎氣泡,

改善氣固接觸，減少返混；及時(shí)移走或供給熱量；回收細(xì)小顆粒使其返回床層;

3.臨界流化速度；顆粒帶出速度；

4.是支撐床層上的催化劑或其他固體顆粒；二是分流，使氣體均勻分布在床層的整個(gè)床面上,

造成良好的起始流化條件：三是導(dǎo)向，可抑制氣固系統(tǒng)惡性的聚式流態(tài)化，有利于保證床層穩(wěn)

定；臨界開孔率；穩(wěn)定性臨界開孔率;

/\2,2>I--|1/3

4P,.-Pfg44、，(2500—1.205)2x9.82、，?，…6―八

5.d?=x--xsoxio=0.63m/s

225PfNf------------[225----1.205x1.85xlO-5

dpupf80xl0~6x0.63x1.205

0.4<Ret=3.3<500

t1.85x10-

即

判斷題

12345678

VXXVVVV

思考題

1.按照固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)分類，分為非循環(huán)操作的流化床(單器)和循環(huán)操作的流化床

(雙器)；按照床層外形分類，分為圓筒形和圓錐形流化床；按照反應(yīng)器層數(shù)分類，可分為單層

和多層流化床；按照床層中是否設(shè)置內(nèi)部構(gòu)件分類，分為自由床和限制床；按照是否催化反應(yīng)

分類，可分為氣固催化流化床反應(yīng)器和氣固非催化反應(yīng)器兩種；

2.(1)殼體殼體的作用主要是保證流化過程局限在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行，對于存在強(qiáng)烈的吸熱或

放熱的反應(yīng)過程，保證熱量不散失或少散失。

(2)氣體分布裝置作用是使氣體的壓力均勻，使氣體均勻進(jìn)入分布板，從而減少氣體分布板

在均勻分布?xì)怏w方面的負(fù)荷：

(3)內(nèi)部構(gòu)件主要用來破碎氣泡，改善氣固接觸，減少返混。

(4)換熱裝置作用是及時(shí)移走或供給熱量。

(