DC?DK?4.39?10?3cms
?3Deff???DC?0.482.9?4.39?10?5?7.26?10?4cm2s
k?rACAS?1.15?101.1?10?5?1.045s?1
??RP3kvDeff?0.093?1.0457.26?10?4?1.138
????1?11?111?????????0.623
??th?3??3??1.138?th?3?1.138?3?1.138?9、石油炼制过程中，常需要用空气进行催化剂的烧焦反应，使催化剂再生,反应可视为一级不可逆反应,已知烧焦反应于780℃,1.0133×105Pa下进行，球形颗粒直径为４毫米，催化剂时本征反应速度ｒA＝0.42[mol／m3.s]，反应热为198000 J／mol,有效扩散系数为4.75×10-7m2／s，有效导热系数为0.366[W／m.k]，试求颗粒内最大温差及内扩散效率因子。 〖解〗CAS?CAg?0.210.08206??780R?273.15??CAS?0.00243moll
T?TS?Deff??H?e?0.42?100.00243?3?4.75?10?7?1980000000.366?0.00243?0.624℃
k?rACAS0.1728s?1，
??RP3kVDeff?0.4?106?20.17284.75?10?7?0.402
??1?tanh(3?)(1?13?)?10.402(1tanh(3?0.402)?13?0.402 )?0.914810、用空气在常压下烧去催化剂上的积碳，催化剂颗粒直径为5mm，颗粒有效导热系数?e为0.35[J／m.s.k]，
8每燃烧1molO2放出热量5.4?10J，燃烧温度为760℃，氧在催化剂颗粒内的有效扩散系数Deff为
5?10?7cm2/s。试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。
0.210.08206??760?273.15?Deff??HR〖解〗CAS?CAg??0.00248moll
T?TS??CAS?e?5?10?7?5400000000.35?10?0.00248?0.191℃
?111、乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃，7.09MPa下，k?0.09s，
Deff?7.04?10?4cm2s，采用直径与高均为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。
〖解〗
??RP3kVDeff?0.560.097.04?10?4?0.942
??1?tanh(3?)(1?13?)?10.942(1tanh(3?0.942)?13?0.942 )?0.693412、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯，如催化剂为微球状，已知ρP＝1.06 g／cm3,颗粒孔隙率θ＝0.52,Sg＝350m2／g，求在500℃，１atm，异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。异丙苯的分子量为120，微孔的曲
2
节因子δ＝３，异丙苯—苯的分子扩散系数为0.155cm／s。球型催化剂颗粒直径为0.5 cm，550℃时该反应的速率常数k=0.25 s，试求此催化剂的内扩散效率因子。 〖解〗
r?2Vg?2?0.52350?10?1.06TM4-1
?P?Sg?2.8?10?7cm
DK?9700r11DKDeff??9700?2.8?10?7?500?273.15120?6.6?10?3?6.89?10?3cm2s
DC??1DAB0.523?116.89?10?3?10.155cms
??DC??6.6?10?3?1.14?10?3cm2s
??RP3kvDeff?0.253?0.251.14?10?3?1.234
????1?11?111?????????0.592
??th?3??3??1.234?th?3?1.234?3?1.234?13、计算660Ｋ和30atm下,在孔隙催化剂中,噻吩(分子量84)在氢气中的有效扩散系数。已知催化剂的比表面Sg＝180m2／g，颗粒的孔隙率θ＝0.4，颗粒的密度ρp＝1.4ｇ／cm3，分子扩散系数DAB＝0.052cm2／s，微孔的曲节因子δ＝2，(颗粒为球型)。 〖解〗
r?2Vg?2?0.4180?10?1.4TM4?P?Sg?3.14?10?7cm
DK?9700r11DK??9700?3.14?10?7?66084?8.54?10?3cm2s
DC?1DAB?118.54?10?3?10.052?7.33?10?3cms
?2第三章 釜式及均相管式反应器
Deff??DC?0.4?7.33?10?3?1.47?10?3cm2s
一、思考题
1、返混的含义是什么?返混是否总是有害的?
2、造成非理想流动的主要因素有哪些?其根本原因是什么?
3、返混能造成非理想流动,对否?非理想流动是由返混造成的?对否? 4、反应器设计的基本方程包括哪些内容?
5、绝热温升的物理含义是什么?
6、串、并连操作各有何特点?工业上何时采用串联操作?何时采用并联操作?两者是否可以互相代替? 7、一般情况下返混对反应结果都有不利影响,对否？
8、CSTR串联为何好于单个大体积的CSTR?是否工业上都用多个CSTR串联来代替单个CSTR?多釜串联时是否串联级数越多越好?
9、对一级不可逆反应,在相同的反应条件下完成相同的任务时,两个体积相同的CSTR串联、并联的结果是否相同?如果不相同，哪种结果好？
10、CSTR与PFR串联操作时,其顺序的变化是否影响反应结果? 11、什么条件下串联操作与单个反应器操作的结果完全相同?
12、反应体积的变化是否影响反应结果?它是通过什么途径起的作用?对于不同反应级数的反应影响程度是否相同?
13、转化率与体积变化相比哪个对反应结果影响大?
14、反应体积增大与减少对反应结果有何影响?对不同反应级数的反应影响程度是否相同? 15、如果主反应级数大于副反应级数,体积增大对反应是否有利?
16、如果反应温度提高后,目的产物的选择性明显增加,从中可以得出什么结论? 17、瞬时选择性与总选择性有何关系?两者是否可以相等? 18、反应器多态的物理含义是什么? 二、计算题
1、以醋酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反应速率rA?1.045CAkmol2?m3?h，试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时
33?所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为960kgm和740kgm。
CH3COOH?C4H9OH?CH3COOC4H9?H2O
解：加入物料的体积 V? CA0?1?60960nA0VxA?4.96?747401?0.559m33
?0.559?1.79kmolmxA2
t?CA0? ?1dxArA0?CA0?dxAkCA0?1?xA?20xAkCA01?xA1xA
10.5 t0.5?kCA01?xA?1.79?1.0451?0.5?0.535h
t0.9?1xAkCA01?xA1xA?10.91.79?1.0451?0.910.99?4.81h
t0.99?kCA01?xA?1.79?1.0451?0.99?52.9h
2、生化工程中酶反应A+P→P+P为自催化反应，反应速率式为?－rA??kCACP，某温度下k=1.512m3kmol?min，原料中含有A0.99kmol/m3，含P为0.01kmol/m3，要求A的出口浓度达到CAf=0.01kmol/m3，该反应器的处理能力为V0＝10m3/h时，试求：(1) 反应速率达到最大时A的浓度；(2) 采用CSTR反应器时的体积；(3) 采用PFR反应器时的体积。
解：
(1) rA?kCACR?kCA?CR0?CR??kCA?CR0?CA0?CA? 为使反应速度最大，应有：
drAdCA?0
即：kCR0?kCA0?2kCAm?0 CAm?CR0?CA02?0.99?0.012?0.5kmolm3
(2) 全混流反应器的体积 VR?V0?CA0?CA?kCA?CR0?CA0?CA??10??0.99?0.01?1.512?0.01??1?0.01??60?10.91m
3(3) 平推流反应器体积： VR??V0?V0xAdCAkCA?CR0?CA0?CA?xA0??V0k?xAdCACA?CR0?CA0?CA?0
???CR0?CA0?k?0?11???C?ACR0?CA0?CA??dCA ?? ??V0?CA01?CA0?ln?lnk?CA1?CA??V0?1?CA?CA0?? ln??1?CA0?CAk? ?101.512?60ln?1?0.01??0.99?1?0.99??0.01?1.013m
33、由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：
CH3COOH(A)+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O
k?0.966lmol?h，每小时处理原料量为735kg，反应混合物密度为0.75kg/l，原料配比为醋酸:丁醇＝
1:4.97(mol)，动力学方程为rA?kCA，xA?0.5，求反应器的有效容积：(1) 用一个全混流反应器；(2) 用两个全混流反应器串联，已知：xA1?0.324，xA2?0.5，(3) 用一个平推流反应器。
2解：进料中醋酸含量： 进料中丁醇含量：
11?4.974.971?4.97?0.1675?0.8325
进料的平均分子量：M?0.1675?60?0.8325?74?71.655 NA0? V0?73571.655?0.1675?1.7181kmolh?1718.1molh
7350.75?980lh
?1.75moll CA0?NA0V0?1718.1980
(1) 全混流反应器： VR?V0CA0xAkC2A0?1?xA?2?980?0.50.966?1.75??1?0.5?2?1165l
(2) 全混流反应器串联： VR1?V0CA0xA1kCA0?1?xA1?22?980?0.3230.966?1.75??1?0.323980??0.5?0.323?0.966?1.75??1?0.5?2?2?409.3l
VR2?V0CA0?xA2?xA1?kC2A0?1?xA2?2??411.2l
VR?VR1?VR2?409.3?411.2?820.5l (3) 平推流反应器： VR?V0CA0?xAdxAkC2A00?1?xA?2?V0xAkCA01?xA?980?0.50.966?1.75??1?0.5??580.8l
4、在间歇反应器中进行液相反应Ａ＋Ｂ→Ｐ，测得此二级反应的反应速度常数为k＝61.5×10-2[l／mol.h]，CA0＝0.307[mol／l]，计算当CB0／CA0＝1，转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间，并对计算结果加以讨论。
解：
t?CA0?1xAdxArAxA0?CA0?xAdxAkC2A00?1?xA?2
?kCA01?xA
10.5 t0.5?1xAkCA01?xA1xA?0.615?0.3071?0.510.9?5.296h
t0.9?kCA01?xA?0.615?0.3071?0.9?47.668h