化学反应工程网络作业

2015-2016第一学期 化学反应工程网络课堂作业 1-1(B) 1.什么是间歇操作、连续操作？它们一般各有哪些主要特点？ ⑴间歇操作：将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。 特点：反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。 ⑵连续操作：连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器。 特点：物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。 2. 根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分为哪些类型？ 可分为：⑴理想流动模型（平推流反应器-PFR，全混流反应器-MFR或CSTR） ⑵非理想流动模型 3. 什么是流体的质点？停留时间分布、寿命分布和年龄分布分别是什么？  什么又是返混？ ⑴流体的质点：代表一堆分子所组成的流体，它的体积比反应器的体积小到可以忽略，但其中所包含的分子足够多，具有确切的统计平均性质，如组成、温度、压力、流速； ⑵①停留时间分布：由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停留时间分布； ②寿命分布：反应器出口处质点的RTD；③年龄分布：仍然留在反应器中的质点的RTD； ⑶返混：不同年龄质点间的混合—时间概念上的逆向。连续流动反应器中，反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的物料由于倒流、绕流、回流等流动状况，使不同年龄的质点混合。 1-2(B). 什么是关键组分和关键反应？ 关键组分：为了能够计算所有气体组分的摩尔数变化，至少应该知道多少化学物质的摩尔数如何变化，这些物质称为关键组分。 关键反应：为了说明所有组分的摩尔数变化，至少需要多少反应方程式，这些反应称之为关键反应。 1-3(B) 1.什么反应体积？ 反应体积VR，是反应混合物在反应器中所占的体积，对于气-固相催化或非催化反应，反应体积是反应器中颗粒床层的体积，它包括颗粒的体积和颗粒之间的空隙。 2.什么是空间速度？什么是接触时间？二者之间的关系？ （1）空间速度（简称空速）（Space Velocity),以符号SV表示，是单体反应体积所能处理的反应混合物的体积流量。采用不含产物的反应混合物初态组成和STP状况来计初态体积流量。以Vs0表示。当反应混合物进入及离开反应器的组成处于定值时。空间速率愈大，表明反应器的时空产率（Space Time Yield，STY）愈大。 （2）空间速度SV的倒数定义为标准接触时间τ0，即为反应体积VR与STP状况初始反应混合物体积流量Vso之比，即 τ0=1/SV=VR/Vs0      ;     VR与进口压力、温度下初始反应混合物体积流量V0之比，称为接触时间τ， 即     τ=VR/V0。 （3）两者的关系即为 τ=Vs0 /(SV*V0) 3.在什么情况下，平均停留时间与接触时间相等？ 停留时间分布的测定是在流体不存在温度及组成变化的等容情况下进行，此时平均停留时间tm可按反应体积VR和等容情况下反应混合物的体积流量V0来计算，即tm=VR/V0。此时平均停留时间和接触时间相等。 1-4(B). 可逆放热反应的最佳温度和最佳温度曲线是什么？ 最佳温度：对于某一可逆放热反应，在一定的反应物系组成下，具有最大反应速率的温度称为相应于这个组成的最佳温度。 最佳温度曲线:由相应于各转化率的最佳温度所组成的曲线，称为最佳 温度曲线。 可通过实验测定和理论计算得到。 第二章 2-1(B)1.固体催化剂的主要成分包括什么？ 活性成分（金属、金属氧化物）——催化作用 助催化剂（结构性、调变性）——提高催化剂活性、选择性、稳定性 载体（负载型催化剂）（氧化铝、二氧化硅、活性炭、硅胶、硅藻土等）——承载活性组分和助催化剂，增大表面积，提高活性、选择性、稳定性（载体和活性组分产生‘协同效应’） 2.表征固体催化剂孔结构的参数有哪些？ 内表面积、孔容积Vg、孔隙率θ、催化剂固相的真密度ρt、催化剂颗粒表观密度或假密度ρp、堆积密度或床层密度ρb、床层空隙率ε。 3.活性位理论是什么？ 活性位理论：活性位只占催化剂内表面积的很小一部分，在组成固体催化剂微晶的棱、角或突起部位上，由于价键不饱和而具有剩余力场，能将周围气相中的分子或原子吸收到处于这些部位的活性位上，即化学吸附作用。 2-2(B)1.气固相催化反应本征动力学包括哪几个过程？ ①反应物被分布在催化剂表面上的活性物质吸附，成为活性吸附态； ②活性吸附态组分在催化剂活性表面上进行反应，生成吸附态产物； ③吸附态产物从催化剂活性表面上脱附。 2.建立理想吸附等温方程的三个基本要点是什么？ ①催化剂表面是均匀的，即具有均匀的吸附能力，每个活性位都有相同的吸附热和吸附活化能； ②吸附分子之间没有相互作用； ③吸附和脱附可以建立动态平衡。气-固相催化反应过程由反应物在催化剂表面上的活性位上的化学吸附、活性吸附态组分在表面上进行反应和产物脱附三个串联的步骤组成，其基础为化学吸附（化学吸附由固体表面与吸附分子间化学键产生；有显著选择性；单分子层；热效应与反应热同数量级；被吸附分子结构发生变化，成为活性态吸附分子，活化能低。） 2-3（B）1.气固相催化反应的宏观过程是由哪些步骤组成的？ 气固相催化反应的宏观过程由外扩散（反应物）--内扩散（反应物）--化学反应--内扩散（产物）--外扩散（产物）组成。 外扩散（反应物）:反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面； 内扩散（反应物）:反应物从外表面向催化剂的孔道内部扩散； 化学反应:在催化剂内部孔道内组成的内表面上进行催化反应； 内扩散（产物）:产物从催化剂内表面扩散到外表面； 外扩散（产物）:产物从外表面扩散到气流主体。 2.内扩散有效因子的物理意义是什么？它数值的大小说明什么？ 物理意义： 内扩散有效因子（内表面利用率）：等温催化剂单位时间内颗粒中的实际反应量与按外表面反应组分浓度及颗粒内表面积计算的反应速率之比。 在定态下，单位时间内从催化剂颗粒外表面由扩散作用进入催化剂内部的反应组分量与单位时间内整个催化剂颗粒中实际反应的组分量相等，因此，内扩散有效因子也可表示为按反应组分外表面浓度梯度计算的扩散速率与按反应组分外表面浓度及内表面积计算的反应速率。 数值大小： ζ的数值一般在（0,1）之间。 ζ的数值越接近于1，说明颗粒内部反应物浓度越接近外表面浓度，内扩散影响因素越小。这时，催化剂颗粒越有“效率”。 ζ的数值越接近0，则正相反，说明催化剂颗粒效率较低。 3.催化剂颗粒中，气体的扩散形式有哪几种？它们的判别条件是什么？ 扩散形式：分子扩散、努森扩散、构型扩散和表面扩散。 判别条件：自由行程与孔半径的相对大小 分子扩散：孔半径远大于平均自由行程λ，即λ/2ra≤10－2，分子间的碰撞机率大于分子和孔壁的碰撞机率，扩散阻力主要来自分子间的碰撞，这种扩散称之为分子扩散，分子扩散与孔径无关。 努森扩散：孔半径远小于平均自由行程λ，即λ/2ra≥10，分子和孔壁的碰撞机率大于分子间的碰撞机率，扩散阻力主要来自分子和孔壁间的碰撞，这种扩散称之为努森扩散。努森扩散与孔径有关。 构型扩散：当催化剂的孔半径和分子大小的数量级相同时，即ra=0.5~10nm，分子在微孔中的扩散与分子构型有关，称之为构型扩散。 表面扩散：是吸附在催化剂内表面上的分子向着表面浓度降低的方向移动的迁移过程，高温下可不考虑。 4 .曲折因子的物理意义是什么？ 计算平行交联孔结构的有效扩散系数时，因为小孔不可能相互平行，要交叉和相交，内壁不一定是光滑的，孔是弯曲的，并且有扩张和收缩等的变化。这些随机出现的情况都不同于简化平行孔模型所描述的孔结构。因此要加入曲折因子对理想情况进行修正使有效扩散系数计算公式适用于平行交联孔模型。曲折因子由催化剂颗粒的孔结构决定，须实验测定，多在2~7之间。 2-4(B)1.Thiele模数的物理意义是什么？ 它反映了不计入内扩散影响时的反应速率（即极限反应速率）与以cAS/Rp为浓度梯度的扩散速率之比值。Φ值越大，扩散速率相对地越小，即内扩散的影响越严重，内扩散有效因子。 2.Da准数的物理意义是什么? Da坦克莱(Damkolher)准数说明外扩散过程的影响，其物理意义为化学反应速率与外扩散传质速率之比。 第三章 3-1（B）1.平推流和全混流反应器特点分别是什么？ 平推流反应器：平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。平推流模型是一种理想流动模型. 所以平推流反应器是一种理想反应器。实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。 特点：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化；任一截面上的物料参数相同，反应浓度只随轴向变化；反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；返混＝0 全混流反应器：全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。 特点：反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数；物料参数不随时间而变化；反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；返混＝∞ 2. 在平推流和全混流反应器的计算公式中，什么时候可以认为接触时间与平均停留时间相等？ 在等容过程下，接触时间τ=VR/V0，此时可以认为接触时间与平均停留时间相等。 3.请比较平推流反应器、全混流反应器和多级串联全混流反应器反应推动力的大小。 平推流反应器 全混流反应器 多级串联全混流反应器 反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低 反应推动力不变，等于出口处反应推动力 反应推动力呈阶梯型递减       相对大小：ΔCA平>ΔCA多>ΔCA全 3-2（B）1.对于相同的反应、相同的进料流量和浓度、相同的温度和最终转化率，请分析对全混流反应器体积与平推流反应器体积之比值大小的影响因素。 对于相同的反应、相同的进料流量和浓度、相同的温度和最终转化率，全混流的反应器体积要大于平推流的反应器体积。主要因全混流反应器存在返混造成，影响因素主要有三点：