反应工程答案.doc

1、1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CHOCHO4进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比） ，反应后甲醇的转化率达 72%，甲醛的收率为 69.2%。试计算（1） 反应的选择性；（2） 反应器出口气体的组成。解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629YS.16.%X7（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比） ，当进入反应器的总原料量为 100mol时，则反应器的进料组成为组分 摩尔分率 yi0 摩尔数 ni0(mol)CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40空气 4/（2+4+1.3）=0

2、.5479 54.79水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81总计 1.000 100.0设甲醇的转化率为 XA，甲醛的收率为 YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数 nA、nP 和 nc分别为：nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nW） 、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=nN0=43.28 mol所以

3、，反应器出口气体组成为：组分 摩尔数（mol） 摩尔分率%CH3OH 7.672 6.983HCHO 18.96 17.26H2O 38.3 34.87CO2 0.7672 0.6983O2 0.8788 0.7999N2 43.28 39.392 反应动力学基础2.1在一体积为 4L的恒容反应器中进行 A的水解反应，反应前 A的含量为12.23%（重量） ，混合物的密度为 1g/mL，反应物 A的分子量为 88。在等温常压下不断取样分析，测的组分 A的浓度随时间变化的数据如下：反应时间（h） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0CA(mol/L) 0.9 0

4、.61 0.42 0.28 0.17 0.12 0.08 0.045 0.03试求反应时间为 3.5h的 A的水解速率。解：利用反应时间与组分 A的浓度变化数据，作出 CAt 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h时该点的切线，即为水解速率。切线的斜率为0.76.125/.molh由（2.6）式可知反应物的水解速率为 ./.dCArlt2.4在等温下进行液相反应 A+BC+D，在该条件下的反应速率方程为： 1.508/minABrCol若将 A和 B的初始浓度均为 3mol/l的原料混合进行反应，求反应 4min时 A的转化率。解：由题中条件知是个等容反应过程，且 A和 B的初始浓度均相等，即为

5、 1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得 1.5022208.()ArCX由（2.6）式可知 ()AAddCttt代入速率方程式 2200.8(1)AXt化简整理得 0.(1)AdCdt积分得 0.8AtX解得 XA=82.76%。2.6下面是两个反应的 T-X图，图中 AB是平衡曲线，NP 是最佳温度曲线，AM 是等温线，HB 是等转化率线。根据下面两图回答：（1） 是可逆反应还是不可逆反应？（2） 是放热反应还是吸热反应？（3） 在等温线上，A,D,O,E,M 点中哪一点速率最大，哪一点速率最小？（4） 在等转化率线上，H,C,R,O,F 及 B点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？（

6、5） 在 C,R两点中，谁的速率大？（6） 根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？解： 图 2.1 图 2.2（1）可逆反应 可逆反应（2）放热反应 吸热反应(3)M点速率最大，A 点速率最小 M 点速率最大，A 点速率最小(4)O点速率最大，B 点速率最小 H 点速率最大，B 点速率最小(5)R点速率大于 C点速率 C 点速率大于 R点速率(6)M点速率最大 根据等速线的走向来判断 H,M点的速率大小。2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用 B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为 49.6210/Jmol,如果不考虑逆反应，试问反应温度是 550时的速率比反应温度是 400时

7、的速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数 k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。 405196201()()50508.347344exp() （ 倍 ）ERTAree2.8 常压下，在钒催化剂上进行 SO2氧化反应，原料气组成为 7%O2及 82%N2。试计算转化率为 80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为49.210/Jmol，化学计量数等于 2，反应式为： 31SOS其平衡常数与温度的关系为： lg4905./.645peKT该反应的热效应 .62rHJol。解：（1）求出转化率为 80%时各组

8、分的分压：以 100mol为基准x SO2 O2 SO3 N2 0 7.0 11.0 0 82.0 100.00.80 7(1-0.80)=1.4 11-5.60.5=8.2 5.60 82.0 97.222332 32.10.4/971.6()85./0()SONpPyMPa（2）求与上述组成对应的平衡常数 KP值：32 30.5 0.5.84142616SOPopK(3)求平衡温度 Telog4905./.645786.2peeKTT(4)利用（2.31）式求逆反应活化能 E值 44 59.2109.10.310/rHE Jmol(5)利用（2.31）式求最佳温度 TOP 478.79.4

9、.3.lnln2(492)eOPT KRE2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应： AB31.6/RArCkmolh2D28D式中 rR,rD分别表示产物 R及 D的生成速率。反应用的原料为 A与 B的混合物，其中 A的浓度为 2kmol/m3，试计算 A的转化率达到 95%时所需的反应时间。解：反应物 A的消耗速率应为两反应速率之和，即 21.6.41.6(0.25)AR Ar利用（2.6）式 .(0.5)AdCCt积分之 0 01().251.21.6()ln(1)l.43/.8A ACAAXCt dh2.12 甲烷与水蒸气在镍催化剂及 750等温下的转化反应为：4224CHOH原料气中甲

10、烷与水蒸气的摩尔比为 1：4，若这个反应对各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试求：（1） （1） 反应在恒容下进行，系统的初始总压为 0.1013MPa，当反应器出口的 CH4转化率为 80%时，CO2 和 H2的生成速率是多少？（2） （2） 反应在恒压下进行，其他条件如（1） ，CO2 的生成速率又是多少？解：（1）由题意可将反应速率表示为： 4CABABDrk对于恒容过程，则有0 303(1)2.0.2.810/8495AABACXPmolRT当 XA0=0.8时 340 334 665(1).76/28102810.5710/.7. /.45.9/.BCABDXlmolrk

11、lsRmols（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化 12/AtA反应物 A的原始分率：0.4y由（2.52）式可求得转化率为 80%时的浓度： 340(1)2.810(.8)6091/.ACXmol359.52.810/BA oly456623.1.310.10/.0/ACrk olsRmols2.14在 Pt催化剂上进行异丙苯分解反应： 6532636(） CHCH以 A,B及 R分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：（1） A（2） BR（3）若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其它

12、两步达到平衡，描述如下： AVAVpAKKpRBBRrkVBV以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程： ARBrkp由于 1V将 ,B代入上式得： VK整理得： 1VABp将 ,AB代入速率方程中 ()/11RBABRPABAkkpKkpKrK其中 /P2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应： 2424CHO化作 2()()R其反应步骤可表示如下：（1） A（2） B（3） R（4）若是第三步是速率控制步骤，试推导其动力学方程。解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应步骤外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达式： (1)AVAKp2 BB4RR整个反应的速率方程以表面反应的速率方程

13、来表示： AVrk根据总覆盖率为 1的原则，则有：BR或 1AVBVRVKpKp整理得： 1将 ,ABRV代入反应速率方程，得：22 2(/1)ABRABVRVkpKrkKpkpKp其中 /3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 23222CHlONaCHONaClO以生产乙二醇，产量为 20/h，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h，要求转化率达到 95%。（1） （1） 若辅助时间为

14、 0.5h，试计算反应器的有效体积；（2） （2） 若装填系数取 0.75，试计算反应器的实际体积。解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为 80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.368.591./%kgh每小时需碳酸氢钠：.240.2原料体积流量：0.75.8/1Ql氯乙醇初始浓度：.361.239ACmol反应时间： 0 2010.952.68()5.3f AfXXABddt hk反应体积： ()275.8696rVQt l（2） 反应器的实际体积：9.7rVlf3.5在间歇反应器中进行液相反应： 12ABDC

15、BrkCA的初始浓度为 0.1kmol/m3,C，D 的初始浓度为零，B 过量，反应时间为 t1时，CA=0.055kmol/m3，CC=0.038 kmol/m3，而反应时间为 t2时，CA=0.01 kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，试求：（1） （1） k2/k1;（2） （2） 产物 C的最大浓度；（3） （3） 对应 C的最大浓度时 A的转化率。解：(1)因为 B过量，所以： 1212,ADDACrkrrk恒容时： Adt（A）12CCk(B)（B）式除以（A）式得： 1Ad解此微分方程得： 210201kCC（C）将 t1,CA,CC及 t2,CA,CC数据代入（C）

16、式化简得：.45.38.4250.381xx解之得： 22110.k(2)先求出最大转化率: 21,max()0.745kAX(3)产物 C的最大收率： 21,ax21.9kAYX产物 C的最大浓度： 3,max0,ax.045.1/kmol317 在 CSTR中进行下述反应： 16265()()( kCHlClHBM（1）2542) lD（2）364263()() kCHlClHDT（3）如果 k1/k2=8, k2/k3=30,CB6=10.0mol/l,氯对苯的加料比 =1.4，k1=1 l/mol,( 为空时)，试计算反应器出口 B,M,D,T,C的浓度。各个反应对各反应物均为一级。解

17、：30123011/,/8,/,/.4,B CBkmol k分别列出组分 B,M,D,T,C的物料衡算式： 01:,BCC(1)28,BCMBk(2) 2330:,4MDDCCC(3)31,Tk(4)0:CMDT (5)由（5）式得： 0 86011.42324BCMB CD(6)联立（1）,(2),(3),(4),（6）式（五个方程，五个未知数）：由（2）式得： 08(1)8BCBCM(7)由（3）式得： 2030424()()DCCC(8)将（1）,(7),（8）式代入（6）得： 2 30 0 00 824.4(1)8()(1)()(18)BBBCBC整理得：32756936C解得：CC=

18、0.908 kmol/m3代入（1）式得：3.0/1.4Bkmol代入（7）式得：3825.427/3.Ml代入（8）式得：0.84.DCko代入（4）式得：31520.12/3T l验证： 01.423BCMDT即： 3.5.47.80.3124.016.2 已知催化剂颗粒外表面的气膜传热系数为 117w/m2K,气体的密度和热容分别为0.8kg/m3 和 2.4J/kgK,试估算气膜的传质系数.解: 2/321/(/)(Pr,/r1170.8416.094/9.4/DHGpsccGspJkChSkhmsh催6.3 某催化剂,其真密度为 3.60g/cm3,颗粒密度为 1.65g/cm3,比表面积为 100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径.解: 3(),.522/6.0.4/1.08/ptparagprSAVcg催催6.4 已知铁催化剂的堆密度为 2.7g/cm3, 颗粒密度为 3.8 g/cm3,比表面积为 16m2/g,试求每毫升颗粒和每毫升床层的催化剂表面积.解: 260.8/43pgSmlb催=