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1、8 多相反应器8.1 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应,假定液相上方水蒸汽分压可不计,试按双膜模型绘出气相及液相中二氧化碳浓度分布的示意图.解:8.2 用1.2M的氨水吸收某生产装置出口气中的二氧化喘,当气流主体中二氧化碳分压为1.01310-3Mpa时,该处的二氧化碳吸收速率为多少?已知:液相中CO2和NH3的扩散系数均为3.510-5cm2/s,二级反应速率常数为38.6105cm3/mols,二氧化碳的溶解度系数为1.5310-10mol/cm3Pa,kL=0.04cm/s,kG=3.2210-10mol/cm2sPa,相界面积aL=2.0cm2/cm3.解:按拟一级反应处理,反应速率
2、常数: 属于快速反应,其增大因子:因此:亦即: 8.3 气体A与液体B的反应为不可逆反应,对A为一级,对B为零级,已知三种情况下反应速率常数k,液侧传质系数kL,组分A在液相中的扩散系数DAL以及液相体积与液膜之比值如下:4000.0011.6404000.041.64010.041.640试分别计算这三种情况下的增大因子和有效因子值,并对计算结果进行比较与讨论.解:上述三组数据,随的变小,也变小,表示化学反应速率依次变慢,故液相利用率依次增加.8.4 在机械拌釜中于0.891Mpa及155等温下用空气氧化环已烷.液相进料中环已烷浓度7.74kmol/m3,氧含量为零.液体与空气的进料量分别为
3、26.76m3/h和161m3/h,要求出口的液体中环已烷浓度为6.76kmol/m3,假定气相及液相均呈全混流,气相阻力可忽略不计,试计算所需的反应体积.已知数据:该反应对氧及环已烷均为一级,操作条件下的反应速率常数k=0.2m3/mols,氧的溶解度=1.11510-4kmol/m3.液侧传质系数kL=0.416cm./s,比相界面积=6.75cm-1,气含率G=0.139,氧在液相中扩散系数DAL=2.2210-4cm2/s.解:题给出的反应器出口液体中环已烷浓度值6.76kmol/m3太小了,即使气体中的氧完全反应,也不能使环已烷浓度低到6.76kmol/m3,为此假定反应器出口环已烷
4、浓度为7.65 kmol/m3; 由于环已烷大量过剩,按拟一级反应处理:由(8.15)式代入(8.31)-(8.33)式化简得:解之得:8.5 采用直径为1m的鼓泡塔用空气氧化环已烷,压力为0.912Mpa的空气自塔底送入,其他条件同习题8.4,假定气体呈活塞流,液体呈全混流,试问塔高应为多少?已知数据:a=2.5cm-1;kL=0.12cm/s; G=0.12,其他数据见习题8.4.解:在计算鼓泡塔时,需要知道溶解度常数,而题8.4是无此数据,在这里,查得常温时L=0.7785g/cm3,设反应条件下:L=0.65g/cm3; a=2.5cm-1; kL=0.12cm/s; G=0.12对气
5、相作物料衡算:若进入液相的氧均参加反应:代入(4)式得:化简,得:解之得:Lr=395 cm=3.95 m故处于312之间. 8.6 在充填直径为4mm的Pd-Al2O3催化剂的滴流床反应器中,于0.1013Mpa,50等温下进行-甲基苯乙烯加氢反应,液相进料-甲基苯乙烯的浓度为4.310-4mol/cm3;床层入口处纯氢及液体的线速度分别等于12cm/s和1cm/s;若液相中-甲基苯乙烯转化率为90%;试计算床高,假定气相和液相均呈活塞流,且床层压力降可忽略不计.已知数据:该反应对氢为一级,对-甲基苯乙烯为零级,操作条件下,基于床层体积计算的数据如下:k=16.8 s-1;kLaL=0.20
6、3s-1;kLSaS=0.203s-1;氢在催化剂中的有效扩散系数=1.0210-6cm2/s;氢在液相中的溶解度系数=0.6cm3气/cm3液;床层孔隙率=0.42.解: 反应器入口处氢的浓度: 当苯乙烯转化率达到90%时,氢的转化率xgL: (计量系数1:1)由于所给动学参数以床层为基准,故以颗粒为基准的由于反应只与氢有关,且为一级反应,因此有:本题中,由于是纯氢,CAG=CA0,从氢的溶解度系数的单位可知,(8.40)式8.7 在反应体积为5m2的机械搅拌釜中，采用直径为0.9mm的催化剂于25等温下进行亚油酸甲酯的加氢反应，氢的分压保持为0.81Mpa；亚油酸甲酯的处理量等于1.5km
7、ol/min,要求酯的40被加氢，试根据例8.5所给的数据和计算结果，计算催化剂用量。解：Vr=5m3 dp=0.9mm T=298.15K pH=0.81Mpa Q0=1.5kmol/min xAf=40%假设此时液膜阻力可忽略，由（8.51）式参考例8.5可知代入（1）式：8.8 苯胺催化加氢反应对氢为一级，对苯为零级；1.01Mpa和130下，采用直径为4mm的催化剂和纯氢进行反应，k=51.5cm3/gs,kLs=0.008cm/s,kLaL=0.12s-1,纯氢的溶解度3.5610-6mol/cm3,氢在催化剂上的有效扩散系数为8.3510-6cm2/s,试求宏观反应速率。解：P=1
8、.01Mpa T=130 dp=4mm k=51.5cm3/gs, kLs=0.008cm/s kLaL=0.12s-1本题中缺少一个重要参数，即颗粒密度，设p=2g/cm3;8.9 在浆态反应器中用纯氢将丁炔二醇加氢为丁烯二醇，该反应对氢及丁炔均为一级；进反应器的丁炔二醇溶液浓度为2.5kmol/m3;反应条件下，k=4.810-5m3/kgsmol,kLaL=0.3s-1,kLs=0.005cm/s,氢在液相中的溶解度=0.01kmol/m3;液相中催化剂含量为0.1kg/m3,0=1.5g/cm3,ds=40m2/kg,气液均呈活塞流。（1）试计算液体转化率为95时过程各步阻力占总阻力的
9、百分率，设内扩散阻力可以忽略。（2）计算液相转化率达95时的空速（3）在最终转化率保持不变的情况下，提出提高液空速所采取的措施。解：CB0=2.5mol/m3 k=4.810-5m3/kgsmol, kLaL=0.3s-1,kLs=0.005cm/s=0.00510-2m/s Ws=0.1kg/m3 as=40m2/kg(1) (1) 此时CBL=CB0（1-0.95）=0.052.5=0.125kmol/m3=125mol/m3各步阻力：液膜阻力 液固阻力 反应阻力 各步阻力所占的分率：气膜 3.333/(3.333+5000+1667)=0.05液固 5000/(3.333+5000+16
10、67)=74.96%反应 1667/(3.333+5000+1667)=24.99%(3)提高反应温度，增加溶液中催化剂的含量。8.10 今有含SO2的空气需要净化处理，采用以活性碳为催化剂，以水为液体介质的滴流床反应器在0.101Mpa，25下将SO2氧化为SO3，溶于水而成稀硫酸从反应器底部流出，反应的控制步骤是氧在催化剂表面的吸附，反应速率可用下式表示：式中rA为以O2表示的反应速率，CA0为催化剂表面处的O2浓度，单位为mol/cm3;已知：内扩散有效因子=0.6,堆密度b=1.0g/cm3,一级反应速率常数k=0.06cm3/gs,床层孔隙率=0.3，kLaas=0.3s-1,kLa
11、L=0.03s-1,气体的流量=100cm3/s,O2在水中溶解度的享利常数H=5.0；反应器直径10cm，塔顶入口处气体组成SO22%,O219%,N279%,试求SO2的转化率为80时滴流床反应器的床层高度。解:P=0.101Mpa T=25 =0.6 b=1.0g/cm3 k=0.06cm3/gs=0.3 kLaas=0.3s-1 kLaL=0.03s-1 Qg=100cm3/s H=5.0整个反应的宏观动力学方程：其中 8.11 在以甲苯为液相介质，骨架镍为催化剂的浆式反应器中，进行乙烯加氢反应，反应条件：P=1.52Mpa，T=50，进料C2H4/H2=1/1.5（摩尔比），H2的进
12、料速率为1.386mol/s,已知L=1.5cm2/cm3，kL=0.015cm/s，S=200m2/kg，kLs=0.02cm/s，Ws=0.1kg/m3,H2在甲苯中溶解的享利常数为9.4，液相可视为全混流；反应过程的速率决定于氢从气液相界面处向液固相界面间的传递，试求乙烯转化率为50时所需的反应体积。解：P=1.52Mpa T=50 C2H4/H2=1/1.5 aL=1.5cm2/cm3 kL=0.015cm/s as=2000cm2/g kLs=0.02cm/s H=9.4Ws=0.1kg/m3=0.110-3g/cm3乙烯转化率为50时，设氢转化率为xH;150%=1.5xH 解得：xH=0.3333设反应的宏观动力学
