气固相催化动力学例题

第五章气固相催化动力学例题1. 用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应A(g) - R(g)整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方程？(20分)解：三步阻力：气膜，孔隙，表面应力。控速步骤：气膜，表面应力，(吸附，反应，脱附) -rA = g(CAg Cs) = SCAsn 二仆CAn2. Giving the gaseous reactant A through a gas film a rate equationAnswer : -r= k (虹)3. Try to give the reaction on the surface of a solid according to a irr first order rate answer : A-r= k = nkCA n 催化剂有效因数，CA孔内催化剂平均浓度。4. Explaining the Thiele modulus.answer : s = L 十eL-化剂特征长度，级反应以催化剂孔体积为基准的速度常数。De孔内反应物的有效扩散系数。os-高代表催化剂的孔隙阻力大。5. What seeps are the reaction processes of a solid catalyzed reaction included.Answer: 1反应物过气膜到催化剂表面扩散2）反应物过孔隙到催化剂孔内扩散3）反应物在内孔表面上的反应（内表面过程）4）产物过孔隙反向扩散到外表面5）产物过气膜反向扩散到气流主体。L用图示讨论固体催化剂催化下的气相反应A（g） - R（g）整个反应过程？可能存在几步阻力和控速步骤？写出各步速度方 程？（20分）解：三步阻力：气膜，孔隙，表面应力。控速步骤：气膜，表面应力，（吸附，反应，脱附）-rA = g（CAg Cs） = FAsn 二仆CAn2、Giving the gaseous reactant A through a gas film a rate equation Answer : -r= k （CAg _CAS ）3. Try to give the reaction on the surface of a solid according to a irr first order rateanswer : A-r= k = nkCA n 催化剂有效因数，CA孔内催化剂平均浓度。6. Explaining the Thiele modulus.answer : s = L J十eL-化剂特征长度，kv级反应以催化剂孔体积为基准的速度常数。De孔内反应物的有效扩散系数。s-高代表催化剂的孔隙阻力大。7. What seeps are the reaction processes of a solid catalyzed reaction included.Answer: 1反应物过气膜到催化剂表面扩散2）反应物过孔隙到催化剂孔内扩散3）反应物在内孔表面上的反应（内表面过程）4）产物过孔隙反向扩散到外表面5）产物过气膜反向扩散到气流主体。6.机理方程推导在 Pd/ - AlO2催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为：C2H4(A)CH 3COOH(B)Lo2 2gH(C)CH 3COOC(E)2H5 H2O(F)在 1150C,PB =200mmHg,PC =92mmHg时测得实验数据为mm Hg7010019524731546510 5 mol /hrg3.94.4 6.0 6.6 7.255.4设想反应机理为:试写出机理方程，解：K A PAVAs BB Sil2sC k .目Ml一一 E他EF（控速步骤并用上述实验数据验证符合与否K fB PBVEPE VK D VAB AB2C-2PVCR-VPF由控速步骤可以写出速率方程式:ks2 DK AB K K P PABVE KEPEV上四式代入二中有:ks2KABKaKbPAPB2KEPEFPF FBCDKAPAKbPbvK K P P K PAB A B A B V E EKfPfv所以1 KAPAKBPB1K K K P P n nC C AB A B A B E E F F(k K K K (Dp P .；K (k K K )P P因此 r S2_AB_A_C AB、C-2E_FE_FA 1 K P K PJK P K K K P P K P K P 2A A BB、CCAB A B AB E F FF初始时无可逆反应，初始速率方程变为：r A 1 KAPA KBPB1kP P P2ABCKabKaKb PaPbKePeKfPf 2在PAPB已知是上式可以变为：r0式中：k kP P*，a 1 K PB CB B将方程线性化，有：成& aY A0kPAakP2R-p- , K KA KABKAKBPBKP 即 L 二 PA AA数据处理： 仁=4.24 4.775.706.126.599.28 A0以对PA作图。符合直线关系，说明反应机理可能正确。7.丁醇-1催化脱水反应，经研究可知表面反应为控诉步骤，其速率式为:r0 kKA f/(1 K A f)2 mol/hrg 动力学常数确定。式中：f为逸度。求常数k和KA.部分实验数据：P (MPa )1.5 46.5 91.5384.5 731.5V00.27 0.51 0.76 0.76 0.52a f1.0 0.88 0.74 0.43 0.46p解：fap1540.92 67.71165.335 328.217.45 8.96 9.4414.7525.12因为(匡1KAf即仲016.7=(A)次Ka符合直线关系：截距为6.7斜率为0.056即206656.07 0.056=0.056(B), (A) (B)=1 所以k kkKA 0.05&k 0.05& 2.665 0.00836MP 18西勒模数与有效因数某一气固相催化反应，在5000C的催化剂粒子中，速率方程为：r 7.5 10 3P mol/sg式中P - atm A为确定组分。若催化剂粒子为圆柱形AAcatA高 直径二0.5 0.5cm粒子密度为0.8g&m3粒子外表面上a的分压P =0.1atm粒子内 的扩散系数De=0.25cm2/s,求：希勒模数与有效因数？若催化剂粒径变为0.1cm和 1.0cm时，希勒模数与有效因数如何变化？解：变换动力学方程求kr 7. 5 10A mol sgtat r r =7.5 10 3 P =7.5 10 3 RT CA A AA PP A二 (7.5 10 3 0.8 820.6 773) C A=380.5C A,(mol/cn 3)所以 k =380.65s 1催化剂特征长度L二牛二牛5=0.083cm 66希勒模数s l=3.243为强内扩散阻力e有效因数些虬 二 0.31，粒度改变时为0.1cm和1.0cm时3.24ssL 里 0.0167cm L 里 0.01672m0.0167：竺暨5 0.651 1弱内扩散阻1626S10.25力=1,0.167祟65 6.25 5强内扩散阻力 二土 二0.1531 S2 0.252S9.球形催化剂dp =2.4mm , D e =5 10 5 m 2 /hr，有效扩散系数K。=0.4kcal/hmk气膜 传热系数h=40kcal/hmk气膜传质系数K =300 m /h ,反应效应H =-40kcal/molA .气流主体人的浓度七20mol/m3(1atm，3360C).表观反应速率为1 105mol/hm3。（一级反应）。求：（1）膜传质阻力的大小对反应的影响。（2）是否存在扩散阻力？（3）通过颗粒和气膜的温度变化。解：根据传质方程（1）过气膜传质。二 r，Sdt ag(Cc )AgAsrVA P1Vp k表观反应阻力气膜阻力1/se kgSe kgV k表观速率气膜传质速率V r kg c a P A0VrP ASeu（2），过孔传质比表观速率大很多，SexAg=2.43601150可忽略气膜的传质。根据判别式2/、T 105 三 10 3 2(r ) L265 10 5 2016强内扩散阻力（3），非等温颗粒计算:40 0C颗粒 中心De CAgC_ACKeT颗粒0.10C说明催化剂粒子温度均匀。10 -今有A R起相反应，kPA / 1 KAPAmol/sg气相中A的分压为0.0563MP a使用温度5100C .R的分压为00219MPa，总压为01MPa .实验测得催化剂粒度dp与表观速率常数k的关系为:d cm0.045 0.133 0.43 0.54k表k 104 S 11.80.450.36 0.27催化剂颗粒内等温，p 1.15g/cm3, KA 1.07,Kr 3.7,求催化剂有效因数及扩散系数De解：当d =0.045cm时，可记为】,这时、是其它粒度下的有效因数些 0.25,些 0.2,些 0.151.81.81.8在较大粒度下d0.54cm可记为有强内扩散阻力k(A)中亡L k表pkv1.8 0.54即 D0.2766 第五章习题解之 D3.26 10 4cm2 /se1. 证明在某催化剂上的氢气和甲苯发生如下不可逆气相催化反应:C H CH (T) H (H ) C H (B) CH (M )其反应机理为：甲苯吸附，氢不吸附，表 6532664面反应控速。本征动力学方程为rkK t/ Ph Pt t/ nT T 1 K P K P2. 证明气固相催化反应在强内扩散阻力时，其反应速率之比与催化剂粒径成反比，即土牛2 .而与有效因数成反比 土rA2 dP1rA2 n23. 有一平行反应1(目的)，A k2 R都为一级反应，其k1(=10，今在？ ？催化剂颗粒上反应，有较强的内扩散阻力，试求R的瞬时选择 性比原内扩散阻力时下降了多少？4. 在PV； Al O催化剂上发生如下氧化反应：H O H O,催化剂粒度d =1.8cm。- V 2 32222P气相温度Tg =90 0C ,催化剂颗粒表面温度Ts 1010C，有效扩散系数K e 25.956 10 4 J /s cm 0 C，氧在催化剂上的摩尔分数为y. =0.0527，483.16CJ /mol （放热），求:总压Pt=1.013 105Pa，氧的有效扩散系数De 0.166cm2/s。在实验条件下外扩散阻 力可以忽略不计。实验测得当颗粒直径为1.86cm时，反应速率为2.35 10 5 mol /sg, 当颗粒粉碎到250目时已排除了内扩散影响，此时测得的反应速率为 2.77 10 5 mol /sg ,催化剂颗粒密度p 0.0602?/cm 3 o该反应的活化能为 21.8975J /mol .热效应 H(1) 催化剂的有效因数(2) 催化剂中的最大温差Tmax(3) 希勒模数s5. 在没有内扩散阻力时，特定的一级气相反应在1atm 400 0C和CA 10 5mol /cm3时反 应速率为1 10 6mol/scm3, D1 10 3cm2/s，为保证孔扩散阻力不影响反应速率， 问该用多大的催化剂颗粒？第六章例题与习题1. 在一个粒径为1.5cm的催化剂固定床反应器中进行A R反应，催化剂的有效扩散 系数De 0.005cm2/s，催化剂的密度为p 1200g/L，反应为一级，本征速率常数 为2.0S1，进料体积流量为20m3/min，转化率为95%。床层的密度1000kg/m3,求所 需催化剂的重量。解：L 亶 1.5 0.25cm6s5(强内扩散阻力)k表k本 0.2 2.0 0.4s 1VRVoCAOVR-FAOln-1xAf厂v些0 20卫生R o 0.40.4 60ln1 0.950.4 CAOln20172(m3)矿1201.ln2。（kg）2. 在一个试验的填充床固定床反应器中，用固定的进料速率FA0 10Kmol /hr和不同的固体催化剂量测得反应AW （Kg） 123R的动力学数据如下：4567xAf0.12 0.20 0.27 0.33 0.37 0.41 0.44 求（1）转化率为40%时的反应速率。（2）进料速率为400Kmol /hr的大填充度达到40%时需要多少催化剂？（3）如果采用大量循环的反应器操作，仍满（2）的进料和转化率的要求，需要多 少催化剂？解：当定义反应速率凄% 时，假设流经固定床为平推流，则对某一微元段衡a W dt算F dx r dw积分工AE，也可用r七求反应速率即了 10二A A AFrA d wA0 ww Kg1234567xAf0.120.200.270.330.370.410.44r10-i-1.20.80.70.60.40.40.3A0w（1）40%转化率时反应速率为0.4Kmol /h Kg6 w: 2：A0CA0Fa0C所以 w 2 =6 ao =240 KgFA0（3）大量循环时满足全混流操作，对反应器衡算有 w 七七。所以AxAfwF0.4 1wF400KgFrF0.4A0A0AA0A03、什么是拟均相一维模型和拟均相二维模型?试给出拟均相一维模型在 绝热条件下的绝热温升，物料蘅算和热量蘅算式？同时给出反应器体积 的计算方法？（10分）解：忽略了轴向的温度变化和径向的温度变化为均相模型（等温） 忽略了径向的温度变化和相间的浓度变化与温度变化为拟均相一维模型。考虑径向和轴向的温度变化而忽略相间梯度为拟均相二维模型。MFa。一一绝热温升.T = T + x 冬（2 bacV= A n l0A dlFaoc ii 14. 在装有1g粒径为3 mm的催化剂，体积为960 cm 3的兰式反应器中，于0.8MPa压力，700 0C下进行气固相催化反应入3R的动力学实验。用纯A进料以不同的流率加到反应器中测得各种进料速率下出口物料中A的分压，数据如下：V。L/h10022410.6Pf0.80.50.20.10.05PA0求催化反应速率式5. 试给出流化床反应器的一般结构示意图，标明用途，综述流化床反应器的优缺点。（6分）解：流化床高二稀相段高+浓相段高二自由空域高+浓相段高密相段：反应段，稀相段：分离段优点：1.适于强放热反应，换热好。2. 床温均匀3. 对失活催化剂易更新再生。4. 使用小粒催化剂不堵管道利用率高缺点：1.返混大，转化率低。2. 催化剂磨损大，活性下降快；3. 放大倍数低，理论不很完善。旋风分离器自由空域高度稀相段（分离高度）浓相段（密相段）气体流化床反应器结构简图