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1、6. 6. 6. 6.多相系统中的化学反应与传递现象多相系统中的化学反应与传递现象6.16.16.16.1、在半径为、在半径为 R R R R 的球形催化剂上，等温进行气相反应的球形催化剂上，等温进行气相反应ABABABAB。试以产物。试以产物 B B B B 的的 浓度浓度 C C C CB B B B为纵座标为纵座标，径向距离径向距离 r r r r 为横座标为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物针对下列三种情况分别绘出产物 B B B B 的的 浓度分布示意图。浓度分布示意图。 （1 1 1 1） （1 1 1 1） 化学动力学控制化学动力学控制 （2 2 2 2） （2 2 2 2）
2、外扩散控制外扩散控制 （3 3 3 3） （3 3 3 3） 内、外扩散的影响均不能忽略内、外扩散的影响均不能忽略 图中要示出图中要示出 C C C CBGBGBGBG，C C C CBSBSBSBS及及 C C C CBeBeBeBe的相对位置的相对位置，它们分别为气相主体它们分别为气相主体、催化剂外表面催化剂外表面、 、 催化剂颗粒中心处催化剂颗粒中心处 B B B B 的浓度，的浓度，C C C CBeBeBeBe是是 B B B B 的平衡浓度。如以产物的平衡浓度。如以产物 A A A A 的浓度的浓度 CACACACA 为为 纵座标纵座标, , , ,情况又是如何情况又是如何? ?
3、? ? 解解(1)(1)(1)(1)以产物以产物 B B B B 的浓度为纵座标的浓度为纵座标(2)(2)(2)(2)以产物以产物 A A A A 的浓度为纵座标的浓度为纵座标6.26.26.26.2 已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为 117w/m117w/m117w/m117w/m2 2 2 2K,K,K,K,气体的密度和热容分气体的密度和热容分 别为别为 0.8kg/m0.8kg/m0.8kg/m0.8kg/m3 3 3 3和和 2.4J/kgK,2.4J/kgK,2.4J/kgK,2.4J/kgK,试估算气膜的传质系数试估算气膜的传质系数. . .
4、 . 解解: : : :=2/ 32/ 32/ 32/ 3323232321/(/)(/Pr),/Pr11/(/)(/Pr),/Pr11/(/)(/Pr),/Pr11/(/)(/Pr),/Pr1/117/0.82.4 106.094 10/219.4/117/0.82.4 106.094 10/219.4/117/0.82.4 106.094 10/219.4/117/0.82.4 106.094 10/219.4/DHGpsccDHGpsccDHGpsccDHGpsccGspGspGspGspJJkChSSJJkChSSJJkChSSJJkChSSkhCm sm hkhCm sm hkhCm
5、 sm hkhCm sm h 又又6.36.36.36.3 某催化剂某催化剂, , , ,其真密度其真密度为为 3.60g/cm3,3.60g/cm3,3.60g/cm3,3.60g/cm3,颗粒密度颗粒密度为为 1.65g/cm3,1.65g/cm3,1.65g/cm3,1.65g/cm3,比表面积比表面积为为 100m2/g.100m2/g.100m2/g.100m2/g. 试求该催化剂的孔容试求该催化剂的孔容, , , ,孔隙率和平均孔半径孔隙率和平均孔半径. . . . 解解: : : :=3 3 3 3(1),0.542(1),0.542(1),0.542(1),0.5422/,65
6、.62/,65.62/,65.62/,65.6/0.542/1.650.328/0.542/1.650.328/0.542/1.650.328/0.542/1.650.328/ptppptppptppptppaprpaaprpaaprpaaprpagppgppgppgpprSrArSrArSrArSrAVcmgVcmgVcmgVcmg由得由得由得由得由催化剂由催化剂6.46.46.46.4 已知铁催化剂的堆密度为已知铁催化剂的堆密度为 2.7g/cm2.7g/cm2.7g/cm2.7g/cm3 3 3 3, , , , 颗粒密度为颗粒密度为 3.83.83.83.8 g/cmg/cmg/cmg
7、/cm3 3 3 3, , , ,比表面积比表面积为为 16m16m16m16m2 2 2 2/g,/g,/g,/g,试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积. . . . 解解: : : : =2 2 2 22 2 2 260.8/60.8/60.8/60.8/43.2/43.2/43.2/43.2/pgpgpgpgg g g gSmmlSmmlSmmlSmmlSmmlSmmlSmmlSmml b b每毫升颗粒的表面积=每毫升颗粒的表面积=每毫升床层的表面积=每毫升床层的表面积=6.56.56.56.5 试推导二级反应和半级反应的扩散有效因子表达式试推
8、导二级反应和半级反应的扩散有效因子表达式(6.23)(6.23)(6.23)(6.23)和和(6.24).(6.24).(6.24).(6.24). 解解:(1):(1):(1):(1)二级反应二级反应, , , , ()()()()()= += +=+2222222222222222222222222 2 2 22 2 2 22,2,2,2,4/24/24/24/2/ / / /114/2114/2114/2114/2141,141,141,141,/ / / /AwASGmAGASwASAwASGmAGASwASAwASGmAGASwASAwASGmAGASwASGmGmwGmAGwGmG
9、mwGmAGwGmGmwGmAGwGmGmwGmAGwwASwAGwASwAGwASwAGwASwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmwAGwAGGmwAGGmwAGGmwAGGmRk Ck aCCk CRk Ck aCCk CRk Ck aCCk CRk Ck aCCk Ck ak ak k a Ckk ak ak k a Ckk ak ak k a Ckk ak ak k a Ckk Ck Ck Ck Ck Ck Ck Ck Ck ak Ck ak Ck ak Ck ak Ck ak Ck ak Ck ak Ck ak CDaDaDaDak Ck
10、ak Ck ak Ck ak Ck a ASASx x由上解得: C由上解得: C按定义按定义此即(6. 23)式此即(6. 23)式式中D a=式中D a=(2)(2)(2)(2)半级反应半级反应 ()()= += +=+=+1/21/21/21/21/21/21/21/21/22221/22221/22221/22221/21/21/21/21/21/21/21/22221/22221/22221/22221/21/21/21/21/22 2 2 2 222222221/2,(),1/2,(),1/2,(),1/2,(),4/24/24/24/2/ / / /(4)/2(4)/2(4)/2
11、(4)/21 1 1 1411/4411/4411/4411/4222222222222AwASG mAGASwASAwASG mAGASwASAwASG mAGASwASAwASG mAGASwASASwwG mAGG mASwwG mAGG mASwwG mAGG mASwwG mAGG mwASwAGwASwAGwASwAGwASwAGwwG mAGG mAGwwG mAGG mAGwwG mAGG mAGwwG mAGG mAGRk Ck aCCk CRk Ck aCCk CRk Ck aCCk CRk Ck aCCk CCkkk a Ck aCkkk a Ck aCkkk a Ck
12、aCkkk a Ck ak Ck Ck Ck Ck Ck Ck Ck Ckkk a Ck a Ckkk a Ck a Ckkk a Ck a Ckkk a Ck a CDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDa x x由上解得:由上解得:按定义:按定义:()()+= +=+=1/ 21/ 21/ 21/ 22 2 2 22 2 2 22 2 2 21/ 21/ 21/ 21/ 22 2 2 22 2 2 22 2 2 21/ 21/ 21/ 21/ 22 2 2 22 2 2 21 1 1 12424242424242424111111112 2 2 22
13、 2 2 2(6.24),:/(6.24),:/(6.24),:/(6.24),:/wAGGmwAGGmwAGGmwAGGmDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDaDak Ck aDak Ck aDak Ck aDak Ck a此即式 式中此即式 式中6.66.66.66.6 在充填在充填 ZnO-Fe2O3ZnO-Fe2O3ZnO-Fe2O3ZnO-Fe2O3 催化剂的固床反应器中催化剂的固床反应器中, , , ,进行乙炔水合反应进行乙炔水合反应: : : : +2223322222332222233222223322232232232232C HH OCH COCH
14、COHC HH OCH COCHCOHC HH OCH COCHCOHC HH OCH COCHCOH 已知床层某处的压力和温度分别已知床层某处的压力和温度分别为为 0.10Mpa,4000.10Mpa,4000.10Mpa,4000.10Mpa,400, , , ,气相气相中中C C C C2 2 2 2H H H H2 2 2 2含量含量为为3%(mol),3%(mol),3%(mol),3%(mol), 该 反 应 速 率 方 程 为该 反 应 速 率 方 程 为 r=kCr=kCr=kCr=kCA A A A, , , ,式 中式 中 C C C CA A A A为为 C C C C2
15、 2 2 2H H H H2 2 2 2的 浓 度的 浓 度 , , , ,速 率 常 数速 率 常 数 k=7.06k=7.06k=7.06k=7.06 101010107 7 7 7exp(-61570/RT),hexp(-61570/RT),hexp(-61570/RT),hexp(-61570/RT),h-1-1 -1-1, , , ,试求该处的外扩散有效因子试求该处的外扩散有效因子. . . .数据数据: : : :催化剂颗粒直径催化剂颗粒直径 0.5cm,0.5cm,0.5cm,0.5cm, 颗粒密颗粒密度度1.6g/cm1.6g/cm1.6g/cm1.6g/cm3 3 3 3,C,C,C,C2 2 2 2H H H H2 2 2 2扩散系扩散系数数 7.37.37.37.310101010-5-5 -5-5mmmm2 2 2 2/s,/s,/s,/s,气体粘气体粘度度2.352.352.352.3510101010-5-5 -5-5PaPaPaPas, s, s, s,床层中床层中 气体的质量流速气体的质量流速 0.2kg/m0.2kg/m0.2kg/m0.2kg/m2 2 2 2s. s. s. s. 解解: : : :由已知条件可得由已知条件可得() ()=+=+=2 2 2 25 5
