《化工反應(yīng)原理與設(shè)備》課后習(xí)題

《化工反響原理與設(shè)備》課后習(xí)題答案

模塊一根底學(xué)問

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，HVKHV10.HV30分別是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，硬度的實(shí)質(zhì)是材料抵抗塑性變形的力氣。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)械性能的綜合表達(dá)。假設(shè)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表達(dá)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，硬度測試時對組織的敏感性較強(qiáng)。打外表硬度時壓痕內(nèi)殘奧占多數(shù)與馬氏體占多

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

用HV1測試齒輪的外表硬度及心部硬度時，能否跟HV30或HRC、HRA直接換算，一般來說，假設(shè)外表

殘奧一級，心部100%板條馬氏體的話，則外表硬度和心部硬度用HV1、HV10.HV30以及HRC、

HRA測試結(jié)果全都。

回到樓主的問題，齒輪的外表硬度以及心部硬度測試，假設(shè)外表有效硬化層深度在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（假設(shè)有必要的話）。

1維氏硬度試驗(yàn)從理論上假設(shè)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，盡可能承受大載荷減小測量誤差。

3留意載荷的選擇要考慮硬度值范圍，假設(shè)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.微元時間，微元體積，濃度，溫度

3

3.0,0.15mol/(m-s)；4.-1,-2/3,0.4NAUn

5.C>C>C>C,C>CQCC》CQCQC；

AGASACAcAGASACAcAGASACAc

6.無窮大，0；7.越大，相等；

8.外表反響速率，內(nèi)集中速率；9.均相，非均相，動力學(xué)特性；

10.極慢速反響；

推斷題

12345678910

XVXXXXXXXX

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

間歇反響過程是一個非定態(tài)過程，反響器內(nèi)物系的組成隨時間而變，這是間歇過程的根本特征。間

歇反響器在反響過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出，即不存在物料的流淌，整個反響過

程都是在恒容下進(jìn)展的。反響物系假設(shè)為氣體，則必布滿整個反響器空叵;假設(shè)為液體，雖不布滿整個

反響器空間，但由于壓力的變化而引起液體體積的轉(zhuǎn)變通?？梢詿o視，因此按恒容處理也足夠準(zhǔn)確。

連續(xù)操作

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

等均不隨時間而轉(zhuǎn)變，只隨位置而變。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反響器絕大局部都是承受連續(xù)操作，由于

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，想要轉(zhuǎn)變產(chǎn)品品種是格外困難的，有時甚至要較大幅度地

轉(zhuǎn)變產(chǎn)品產(chǎn)量也不易辦到，但間歇操作系統(tǒng)則較為靈敏。

半連續(xù)(半間歇)式操作

半連續(xù)反響器的反響物系組成必定既隨時間而轉(zhuǎn)變，也隨反響器內(nèi)的位置而轉(zhuǎn)變。

2.反響器內(nèi)存在不同停留時間的流體粒子以及不同停留時間流體粒子之間的混合即返混。緣由：

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集中。

3.⑴沉淀法⑵浸漬法⑶混合法⑷熔融法⑸離子交換法。

4.抱負(fù)置換流淌模型：方差。2=0，=0;平均停留時間：；=T=V/v,r=1.抱負(fù)混

合流淌模型：平均停留時間f=T=V/v,e-=「M-Od。=1,方差02=一，

R。o'

o2=2e-oJO-1=1o

5.依據(jù)雙膜理論反響過程可描述如下：

⑴氣相中的反響組分A從氣相主體通過氣膜向氣液相界面集中，其分壓從氣相主體處P的降

AG

至界面處P。

Ai

⑵在相界面處組分A溶解并到達(dá)相平衡。聽從亨利定律。此時p=Hc，其中”是亨利

AiAAi4

系數(shù)，P是相界面出組分A的濃度。

Ai

⑶溶解的組分A從相界面通過液膜向液相主體集中。在集中的同時，與液相中的反響組分B發(fā)

生化學(xué)反響，生成產(chǎn)物。此過程是反響與集中同時進(jìn)展。

⑷反響生成的產(chǎn)物向其濃度下降的方向集中。產(chǎn)物假設(shè)為液相，則向液體內(nèi)部集中；產(chǎn)物假設(shè)

為氣相，則集中方向?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：反響物外集中，內(nèi)集中，吸附，外表反響，脫附，產(chǎn)物內(nèi)集中，外集中。

7.抱負(fù)吸附認(rèn)為吸附活化能不隨掩蓋率的變化而變化，而真實(shí)吸附認(rèn)為吸附活化能隨掩蓋率的變

化而變化。

8.定量描述反響速率與影響反響速率因素之間的關(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)分是，宏觀考慮了傳質(zhì)過程。

9.①外集中做把握步驟即內(nèi)集中過程的阻力很小，外表反響過程的速率很快。反響過程的速

率取決于外集中的速率。濃度變化為：C?C心C

AGASACAe

②內(nèi)集中做把握步驟即反響過程的傳質(zhì)阻力主要存在于催化劑的內(nèi)部孔道，外表反響過程的

速率和外集中的速率很快。濃度變化為：c?c

AGASACAe

③外表反響做把握步驟即傳質(zhì)過程的阻力可以無視，反響速率主要取決于外表反響過程。通

常稱為動力學(xué)把握。濃度變化為：C/C心c?c

AGASACAc

10.轉(zhuǎn)化率X=—---.L

An

AO

收率_在系統(tǒng)系統(tǒng)中工成H的消耗的關(guān)代的關(guān)犍組分的量

參與系統(tǒng)入系統(tǒng)中的關(guān)的物質(zhì)物質(zhì)

產(chǎn)率S=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

A

計(jì)算題

1.k=k?---'=2.654x1Ox-----------------------1.66x10-15molL1S-1Pa3

Pc(RT)3(8314x303)3

2.由于C=C，所以C=C，即(一「)=C2,則kt=1.XA,x=0.9

AOBOABAAC1-XA

AOA

A+o=Aa

3.反響機(jī)理：|Ao+BfCo+D(把蝸1)

Co=C+o

一dnndxndxCdx_.,1-x

4.———=-l-k=—————k———=———f-r———=1or————k——

V-dtVdtV(1+8xy)-dt(1+8xy)-dtA0(1+8xy)

0AAAOAAAOAAAO

dx

A=1.2x(l-x)=1.2X0.15=0.18

dtA

11

(-)—l__J—

孔容Vg=-L--L=-L--L=0.24,孔隙率g=L652.7

pp1.652.71r■

ps1.65

p

Ti5(lZM+1/M)o.5723L5(i/]5-1/32)<)s

6.D=0.436x---------77-B----=0.436x-------------------------7—=0.91cm2/s

ABp(V4+101.3x(22.44h+16.6'62

A------B

e3<p.—e-3He3x105-e-3x|°5

tan(3(p)=------------=---------------=1

e3>p、+e-a中，e3xiQ5+e-3*1.05

111.111_

n=-[-]=~~r-]=0.65

(ptan(3(p)3(p1.0513.15

R

4mm球形催化劑:<P=

$3

1

tan(3(p)=eS-「-eTm=097Tl=I(1_)=079

s

e3$,+e3x0：4.e-3x0.70.70.972.1

圓柱形催化劑：

V|k7i(0.3)2.0.6I10

(p=―J-tr-=------------------------J-----=1.05>T|=0.65

s

SVDe271-0.32+nx0.6x0.6V0.09

s

7.參考例題1-8

p0.64dG0.43x2023x100010000

c=1--?-=1--------0.28,R---------------------------------=236.99

BP0.89cmM(l-8)1.4x10-^X11-0.28)x3600

PcB

0.3<236.99<300,J2.10x236.99-0.51=0.129

PM101.3x24

P==5.93x10-4g/cm3

gRT8314x(220+273)

JGR0.129x2023x10001.4xIO-4

U-(____S_)2/3=,)-2/3=13.11cm/s

PPD3600x10000x5.93x105.93x10-4x0.267

gg

10-3

8.要消退內(nèi)集中,<0.3，則R<03x3-------=0.09cm

0.1

E0.52

9.d=4P=4x=5.6x109m>

pS1.06x350x10000

gg

+273

4850d=4850x5.6x10-7x=0.C069cm2/s

=0.0011cm2/s

(/+)x3

0.1550.0069

10.V=V(l+8Xy),1+8xy=2,x=/,

0AAAOAAAOA3

11

一級反響：-dA=kc-----------------------------------kC——-----,出*=k(l-x)，

Vdt人V(1+8xy)dtA0(1+8xy)dtA

0AAAOAAAO

_1_I1

ln()/1=In()x=0.137min

1-x1-2/38

模塊二釜式反響器

填空題

dQdQ

1.分子間碰撞，傳質(zhì)，傳熱；2.Q=Q，c>?

cRdTdT

3.7.8s,623.8s；4.操作線，動力學(xué)線；

5.V=筑,物料的性質(zhì)，攪拌器類型；6.V(-r)(-AH),KA(T-Tw)；

(pRA

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.反響器本身對熱的擾動有無自行恢復(fù)平衡的力氣，反響過程中各有關(guān)參數(shù)(流量、進(jìn)口溫度、

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

推斷題

12345678910

XXXXJXXXXJ

思考題

1.由于多釜串聯(lián)完成生產(chǎn)任務(wù)所需的反響器體積小于單釜狀況，所以多釜串聯(lián)釜式反響器的生產(chǎn)

力氣大于單釜釜式反響器。

2.作用：反響器內(nèi)的物料借助攪拌器的攪拌，到達(dá)物料的充分混合，增加物料分子碰撞，強(qiáng)化反

響器內(nèi)物料的傳質(zhì)傳熱。

選擇：工業(yè)上攪拌器的選型主要，衣?lián)黧w的流淌狀態(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)展。一般狀況下，流體的粘度對攪拌的影響較大，所以，可依據(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寸程，要求液體渦流湍動猛烈和較大的循環(huán)流量，應(yīng)優(yōu)先選擇

渦輪式攪拌器。對于固體懸浮操年，必需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，應(yīng)選用開啟式渦輪攪拌器。對于結(jié)晶過程，往往需要把握晶體的外形和大小，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，把握因

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

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

3.做(-r)-x或(-r)-C圖，通過比較圖形面積來進(jìn)展生產(chǎn)力氣的比較:

AO

n-CSTR

（1）假設(shè)BR的關(guān)心時間為0,則三種反響器的生產(chǎn)力氣與上圖中的陰影面積成正比，即

BR>n-CSTR>CSTRo

（2）假設(shè)BR的關(guān)心時間不為0,n-CSTR>CSTR,但是不能定性確定BR的生產(chǎn)力氣大小，

其與關(guān)心時間有關(guān)。

4.反響釜的傳熱裝置主要有夾套式、蛇管式、外部循環(huán)式等。夾套式換熱一般適用于傳熱面積較

小且傳熱介質(zhì)壓力較低的狀況。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，或者是反響器內(nèi)壁襯有橡膠、瓷磚等非金屬材料不宜使用夾套式換熱時，可承受蛇管、

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

器。除了承受夾套和蛇管等內(nèi)插傳熱構(gòu)件使反響物料在反響器內(nèi)進(jìn)展換熱之外，還可以承受各

種型式的換熱器使反響物料在反響器外進(jìn)展換熱，馬上反響器內(nèi)的物料移出反響器經(jīng)過外部換

熱器換熱后再循環(huán)回反響器中。另外當(dāng)反響在沸騰溫度下進(jìn)展且反響熱效應(yīng)很大時，可以承受

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

器中。承受這種方法進(jìn)展傳熱，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)。有時假設(shè)進(jìn)展反響釜小試時：還可以承受電加熱的方式。

5.同時滿足Q=Q和色乙?>旦?的點(diǎn)，即為熱穩(wěn)定點(diǎn)。

cRdTdT

6.主要把握溫度和壓力。在操作過程中，溫度應(yīng)當(dāng)最難把握，溫度把握方案主要有以下三種：通

過夾套冷卻水換熱；組成反響釜?dú)庀嗤庋h(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)整循環(huán)氣的溫度，調(diào)整易冷凝氣體回

流入釜的量來把握反響釜的溫度；通過釜外料液循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)整料液循環(huán)溫度從而把握反響釜

的溫度。另外反響釜的壓力把握也很重要。反響釜壓力的變化主要是由于反響過程中物料的蒸

汽分壓的變化造成的，因此釜壓的把握也可以通過把握溫度來調(diào)整。但當(dāng)反響釜壓力過高時則

需要選擇通過放空來降低反響釜的壓力。

7.解析法：列出公式1^=2卜或丁=工1,再將式

RRii

（x—X）（X—X）

V=FA..-D-cV—Al——以1口一帶入，然后對該式求導(dǎo)使其等于0,即可

RiAO（一「）AOo（一r）

AiAi

得到最優(yōu)條件下的相應(yīng)變量。

圖解法：處理量V。、初始濃度C和最終轉(zhuǎn)化率X,要求確定串聯(lián)連續(xù)操作釜式反響器

AOAN

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(一r)~C圖上進(jìn)展試算。假設(shè)各釜的有

AA

效體積一樣時，依據(jù)操作線方程，假設(shè)不同的V,就可以在C和C之間做出多組具有不同

RiAAN

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V值的不同組合關(guān)系。通過技術(shù)

Ri

經(jīng)濟(jì)比較，確定其中一組為所求的解。

8.N個連續(xù)串聯(lián)操作釜數(shù)反響器進(jìn)展一級不行逆反響，各釜的溫度一樣，則體積為：

yVX-XX-X

V=2-V=-l(一———+—.f——+

R對k1-x1-x

AlAl

上式對轉(zhuǎn)化率求偏導(dǎo)數(shù)得：

(i=l:2?,N-1)

假設(shè)使反響體積最小，則av/dx=o

RM

AiX(i+l)Ai

V(x-X)V(X-X)

化簡可得:0AiA(i-l)=0A(i+1)Ai

k(1-x)-k(1-x)

AiA(i+I)

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

隨著反響的進(jìn)展，反響物濃度c,漸漸下降，反響速率也漸漸卜.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。因此就要求承受不同的換熱面積來適

應(yīng)。尤其對于等溫反響，必需依據(jù)反響的進(jìn)展隨時調(diào)整換熱方案。例如某吸熱反響裝置的換熱

方案如下：在反響器內(nèi)設(shè)置兩組加熱盤管，其中一組盤管的傳熱面積為6.65cm2,另一組盤管的

傳熱面積為3.59cm2,可用加熱蒸氣的溫度為110℃?180C。在反響開頭時承受180c的蒸汽，

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

應(yīng)時刻時，蒸氣溫度已降至11OC。此時停一組加熱盤管，同時調(diào)整蒸汽溫度為158℃。然后隨

著反響的進(jìn)展，再同步下降換熱蒸汽的溫度，當(dāng)反響完成時，蒸氣溫度降至110℃。

10.BR：反響器內(nèi)溫度處處一樣，時時不同，隨反響時間發(fā)生變化。

CSTR：反響器內(nèi)溫度處處一樣，時時一樣。

n-CSTR：各反響器內(nèi)溫度處處一樣，各釜溫度不同。

計(jì)算題

1(11、1(In

1.T=-I------------------I-----------xI-------------1=9900s

,kICC)I0.0110.011)

'AAO/

T=-?I-----------1------x|--------|=998O;

1kICC)10.01V0.015)

、AAO7

1(1111(1

T=I-I=x|-I=9990s

'kICC>0.01<0.0110J

'AAOZ

爭論：對于二級反響，當(dāng)最終濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始濃度時，初始濃度的轉(zhuǎn)變對反響時間的影響不

明顯。

2.由題意知；V=V----------6V-V----------,其中x=05，則x=0.857。

00

Rk(1-x)Rk(1-x)…A2

A1A2

3.略

4.依據(jù)題意V=V一----V=V2”二L一,x=0.9，則x=68.38%。每個

RI。k(l-X)R2。k(l-X)AfAl

AlAf

反響滯體積為：V=V__Li__=-----2空?--------=0268m3。

R,0k(l-x)24x600.0806x(1-0.6838)

Al

5.略

6.由題意知(-r)=kC-kC=kC(1-x)-kCx

「Xx

則V=V---------fle---------=V--------1---------2.14m5

Rl0kC(1-x)-kCx°k(1-x)-kx

IAOA2AOA1A2A

7.由題意知：T=--------------Ef----------------------R-----

kC(1-x)4-kC2(1-x)2kC(1-x)

IAOA2AOAIA0A

R的收率、得率：Y=￡L=--------------------------=60.8%

ck(1-X)+kC(1-x)2

A0IA2AOA

R的選擇性：S=_-=Y^J=67.6%

x■09

A

V—

8.⑴每一個釜的平均停留時間：t=一~=20,則tN=t=20N

iVi

6=02/；；=(kt2E(t)dtT；)/t；=烈二"匕”=」.，所以模型參數(shù)N=l.

0

3400N2N

V

.J=—一1一—

⑵得XA=75%

Vk(l-x)

0

9.(1)V=V--——=2x———=0.6m3

R0k(l-x)10x0.25

A

11

(2)V=V[-in(-----)+t")=1.8m

Rok1-x

(3)V=V--IJ__=2X——--=0.2m3,V=v----=0.2m3

R,0k(l-x)10x0.5R20k(l-x)

AlAl

(4)由題(3)可知，等體積的反響器體積為0.2m3。

模塊三管式反響器

填空題

1.t=l/s,2.有效體積，大;

V

3.T,C；4.不同；

A

5.動力學(xué)，反響器，生產(chǎn)力氣，選擇性；

推斷題

12345

XJXXX

思考題

1.反響器內(nèi)各點(diǎn)濃度不隨時間發(fā)生變化，沿流淌方向發(fā)生變化。

2.當(dāng)反響級數(shù)n>0時，三者的生產(chǎn)力氣大小挨次：PFR>n-CSTR>CSTR；反響級數(shù)n<0時三者大

小挨次：CSTR>n-CSTR>PFR。

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

4.管式反響器的熱量衡算式FMCdT=F小(-△〃)-T)與物料衡算式

'〃A0ArA.7D3

(~r)dV=Fclx聯(lián)立，便可得到非等溫、非絕熱狀況時所對應(yīng)得反響器體積。

ARAOA

5.在等溫等容過程中，一樣產(chǎn)量、一樣轉(zhuǎn)化率、一樣初始濃度和溫度下，所需抱負(fù)管式流淌反響

器體積(V)P和抱負(fù)連續(xù)釜式反響器有效體積(V)S之比稱為容積效率n，即n=二￡￡。反響

RR(V)

RS

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，rj也增大，但增大

的速度漸漸緩慢，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)展的等溫變?nèi)莘错懀瑈=1,5=1。

八』的*—?30x8.314x(185+273)

2.由題意知：y=0.5?6=2>V=FRT/P=————一一一一一一一,=0.079m3/s,

A。A0o3600X400

V1AA7Q

V=-J(-x+21n---------.)=---X(-0.8+2xIn一一)=9.6m3

RkA1-x0.020.2

A

3.由于C八二(二八，并且是等摩爾反響，所以(-r)=kC2o

A°BOAA

X=50%

A

小x0.5

(2)V=VA=0.5x=2L

2

R"kC(1-xM0.5(1-0.5)

x

(3)V=0.5x------A-----=2，x=38.2%

R0.5x(l-x)2人

A

4.由題意知(-r)=1+2C+C2=(]+c)2

AAAA

fdC11I

(1)T=CJfx「dYL_=-JCc"----rx=_x(--------一.)=0.25,

A00(-r)c(l+c)221+0.21+2

AuA。AA

_c-C2-0.2_

\2/T—e——k=—-1.25

(1+C)21.22

Af

C-CC-C2-11-0.2

(3)假設(shè)兩個CSTR串聯(lián)：T-E---k+-rt---e=-----+------=0.81

=(1+C)2(1+C)2221.22

AlAf

假設(shè)PFR與CSTR串聯(lián)：T=Su-=-x(----------)+1/^3._Q

c(1+C)2(1+C)221+11+21.22

A°AAf

2

假設(shè)CSTR與PFR串聯(lián)：T。八。-CAI-DCA=-'+1>：(-)=0.42

(1+C)2C(l+c)22221+0.21+1

Al*'A

r11

各種狀況下，產(chǎn)物中P的選擇性均為：S=一匚?=---------=---=0.69

P-r(1+C戶1.22

AAf

5.依據(jù)反響速率常數(shù)的單位，確定咳反響為2級，且6=1,y=Io

AAO

空時：

(1+x)2dx

xM(1+8xy)2dx

——LMO————L———

(>kC(1—x)2kC(1-xM

AOAAOA

14

4In0.65-3.65]=155.31$

kC0.65

AO

平均停留時間:

7=fvidL.,又由于(-r)dV=Fdx,所以

T=『R%.=］。*_______JAO_________dx=「35__(In0.65-2)

A

oV-o(-r)V(1+8xy)AokC(1-x)2kC0.65

AOAAAOAOAAO

結(jié)合空時和平均停留時間的表達(dá)式可求得平均停留時間J=128.53s

模塊四固定床反響器

填空題

1.空時，空速，空時收率；

2.反響過程中各有關(guān)參數(shù)（流量、進(jìn)口溫度、冷卻溫度等）發(fā)生微小變化時，反響器內(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淌、傳熱、傳質(zhì)的影響；

5.催化劑大小要均一，充填時留意架持各個部位密度均勻，保證催化劑床層各個部位阻力一樣；

消退化流初始動能，使氣流均勻流入反響器床：

推斷題

12345678

-JXX-J

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)展化學(xué)反響的設(shè)備稱為固定床反響器。固定床反響

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

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

此外，由于停留時間可以把握，溫度分布可以適當(dāng)調(diào)整，有利于到達(dá)高的轉(zhuǎn)化率和高的選擇性；

缺點(diǎn)：傳熱較差，催化劑更換時必需停頓生產(chǎn)。

2.分為：①絕熱式固定床單段絕熱式反響器構(gòu)造簡潔，造價廉價，反響器體積利用率較高。多段

絕熱式反響器是在段間進(jìn)展反響物料的換熱，以調(diào)整整個生產(chǎn)過程的反響溫度；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)展反響，反

響熱通過管壁與管外的熱載體進(jìn)展熱交換；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)自動把握；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)約了動力，但在此類反響器中，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響熱效應(yīng)較小、反響溫度允許波動范圍較寬、單程轉(zhuǎn)化率較低的反響過

程，對于熱效應(yīng)較大的反響只要反響溫度不很敏感或是反響速度格外快時，有時也使用這種類

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

的變化超出允許范圍，在這種狀況下，應(yīng)承受多段絕熱式反響器。③列管式固定床既適用于放

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

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

⑤徑向固定床適用于反響速度與催化劑外表積成正比的反響。

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

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

之比。它反映了催化劑內(nèi)外表的利用率大小的系數(shù)。

當(dāng)n時，外表內(nèi)集中不存在，反響過程屬動力學(xué)把握；

當(dāng)n<?時，內(nèi)集中的影響明顯，反響過程屬內(nèi)集中把握。

6.具有相當(dāng)大動能的局部原物會直段沖入床層，造成了氣體分布的不均勻性，即不同停留時間的

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

如裝設(shè)分布頭、集中錐或填入環(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II螺旋

形進(jìn)料裝置等，另外，還可承受適當(dāng)?shù)牧飨颍米匀粚α鱽碚{(diào)整各處氣流運(yùn)動的推動力或采

用轉(zhuǎn)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，它是衡量固定床反響器

生產(chǎn)力氣的一個重要指標(biāo)；(2)空間時間是指在規(guī)定的反響條件下，氣體反響物通過催化劑床層

中自由空間所需要的時間，表示同體積的催化劑在一樣時間內(nèi)處理的原料越多；(3)空時收率

指反響物通過催化劑床層時，在單位時間內(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)力氣的一個重要指標(biāo)。

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

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

0RW

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TR與管壁溫度

T相差也大，如何把握徑向溫度分布？

W

計(jì)算題

1.d=1.241Vi/3=1.241x[(兀0.0082-n0.0052)x0.01]i/3=8.4mm

VP44

11

_:,/2

da=0.564x[2x(—兀82—n5)+80n+50K]-%.2mm

44

11

d=6V/A=6X[-TC(82—52)xl0]/[2x一nx(82-52)+80兀+50兀]=3.9mm

sPP44

<p=d/d=0.46

ssv

2.s=1-p/p=1-828/1300=0.36

BP

3.d=1/=1.98mm

Pd

i-li

1

4.(1)V=uA=0.2x一兀x(0.025-0.005)2=0.136ma/h

00R4

(2)FPV/RT=101325K0.1364-8.3144-413=4mol/h

⑶W=4x0.46X26+4X0.54x36.5=0.126kg/h

(4)V=-7t(0.025-0.005Mx0.25=7.8x10-m3

R4

Sv=V/V=V(273.154-4I3)/7.8X10=1153h->=0.32s-'

ONK0

T=V￡/V=7.8x10-5x0.454-0.136=2.58x10=0.93s

R0

5.改正：題目中氣體的質(zhì)量流速為18.25kg/m2-s

dCJ

R