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反应工程第五章习题解答
化学反应工程习题(第五章)
5.1乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应
其动力学方程式可有如下种种形式:
试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解:(1)
(控制步骤)
(2)
(控制步骤)
(3)
(控制步骤)
(4)
(控制步骤)
5.2 在Pd-Al2O3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为
实验测得的初速率数据如下[功刀等,化工志,71,2007(1968).]
115℃, ,。
注:1mmHg=133.322Pa
如反应机理设想为
试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
解:
(A) (B) (C) (E) (F)
计算值如下表:
以对作图,基本上为一直线。
∴上述数据与反应速度式基本符合。
某反应,其动力学方程式为
试导出平推流式的等温积分反应管中转化率XA与W/FAO的关系式。
解:设总压不变且
同理:
将各p值代人题中给出的动力学方程式,并简化得:
式中:
并设是以单位床层体积为基准的,反应管中堆积密度为(不应存在密度项)。
在200℃下,苯在Ni催化剂上加氢。已知催化剂微孔的平均孔径4.0mm,求总压分别为0.1Mpa及3.5MPa下氢的扩散系数。
解:由陈甘棠(81版)表5.3-4查得:
设本系统可由苯与氢的二组分系统代表,则由(5.3-62)及(5.3-63)式,得:
故:
由表5.3-3查得:
代入(5.3-61)式:
当p=0.1MPa=1atm 时
当p=3.5MPa=35atm 时
至于努森扩散则由(5.3-65)式计算,它与总压是无关的。
由此可知,由于孔径较大,努森扩散的影响可以忽略。
解法2:由于孔径4mm很大,因此直接用分子扩散的公式(参考朱炳晨的书)
异丙苯在催化剂上裂解而生成苯,如催化剂为微球状,dp=0.4cm,ρp=1.06g/cm3,
εp=0.52, Sg=350m2/g,求在500℃,0.1Mpa时,异丙苯的微孔中的有效扩散系数。设已知微孔的曲折因子τ=3,异丙苯-苯的分子扩散系数为0.155cm2/s。
解:
孔径很小属努森扩散区:
迷宫因子是催化剂中的一种加速或者减弱催化的酶的催化系数,这个系数决定了催化的速度。
5.6兹有直径为0.2cm高0.2cm及直径为0.8cm高0.8cm的两种催化剂粒子分别在等温的管中进行测试,填充体积为150cm3,床层空隙率0.40,所用气体流量均为3cm3/s,粒子孔隙率均为0.35,迷宫因子0.20,反应为一级不可逆,对直径为0.2cm催化剂,达到的转化率为66%,而对直径为0.8cm的催化剂则为30%,如气体密度不变,问:
(1)这两种床层催化剂有效系数是多少?
(2)气体真实的扩散系数为多少?
解:(1)设等比表面当量球半径Rp1, Rp2:
表面积/体积 ,故
∴ ,,
一级反应催化剂有效系数与浓度无关,分别设为η1,η2
式中,均以催化剂粒子体积为基准:
,
根据式(5.3-91)计算,,用试差法求得:
此算法均是将圆柱子化作当量球形求解。
(2)(或)
由式(5.3-78)
5.7 某组分A在540℃下的催化剂上反应,其速率式为
催化剂
φA的单位为Pa。如催化剂颗粒的密度为0.8g/cm3,当量直径为0.3cm,颗粒外表面上A的分压为pA,s=1.2×104Pa,A的组分在粒内的扩散系数为0.020cm2/s,求催化剂的有效系数。
解:用浓度表示时 PV=nRT
故:-rA
又R=0.3cm 代入(5.3-77)
于是从图5.3-11中查得:η=0.91
5.8 某一加氢化反应,在0.2Mpa及80℃下进行,如粒子的ρp=1.16g/cm3,λ
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