化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題答案

化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題答案第1頁/共77頁習(xí)題2.1如果該題目改為:人對反應(yīng)的水份不產(chǎn)生影響.且不給出CO2的出口濃度,則:重要知識點:關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率

第2頁/共77頁習(xí)題2.2在210℃等溫條件下,進行亞硝酸乙酯的氣相分解反應(yīng)該反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng),反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為:活化能E的單位為cal/mol,若反應(yīng)在恒容下進行,系統(tǒng)起始狀態(tài)為1at的純亞硝酸乙酯,試計算亞硝酸乙酯分解率為80%時,亞硝酸分解速率及乙醇的生成速率.第3頁/共77頁習(xí)題2.2t(1-x)x0.5x0.5x反應(yīng)總壓力:P=1+x=1.8(at)知識點:反應(yīng)速率:Arrheniuslaw:第4頁/共77頁習(xí)題2.3對于不可逆基元反應(yīng)：aA+bB——cC+dD其速率方程式可表示為：rA=kCAaCBb如果以A為基準(zhǔn)物，反應(yīng)方程式兩邊除以A有計量系數(shù)a，方程式可寫為A+(b/a)B——(c/a)C+(d/a)D則其動力學(xué)方程按此方程式可寫為rA=kCACBb/a請問后一種速率方程式是否正確，為什么？第5頁/共77頁習(xí)題2.3通常對基元反應(yīng)而言,可以說:單分子反應(yīng)、雙分子反應(yīng)、三分子反應(yīng)什么是基元反應(yīng)？反應(yīng)物分子在碰撞中一步直接轉(zhuǎn)化為生成物分子的反應(yīng).GuldbergandWaage[J.Prckt.Chem.19,71(1879)]指出：化學(xué)反應(yīng)的速率與反應(yīng)物的有效質(zhì)量成正比只有基元反應(yīng)在反應(yīng)物濃度不太大的情況下才符合質(zhì)量作用定律第6頁/共77頁習(xí)題2.4工業(yè)上以氮氧化物生產(chǎn)硝酸,氮氧化物由氨和空氣氣相氧化得到4NH3+5O2→4NO+6H2O如果進氣中含氨15%,進氣狀態(tài)為8.2at,227℃.試求:(1)進氣總濃度和氨濃度;(2)恒壓間歇反應(yīng)器中,分別寫出反應(yīng)轉(zhuǎn)化率對pi,Ci,和體積V的函數(shù);(3)恒容間歇反應(yīng)器中,分別寫出反應(yīng)轉(zhuǎn)化率對pi,Ci,和總壓P的函數(shù);第7頁/共77頁習(xí)題2.4進氣總濃度:氨濃度:CA=15%C=29.59(mol/m3)4NH3+5O2+inert→4NO+6H2O+inertnA0nB0ni0nP0nS0ni0t=0nAnBni0nPnSni0t=tnA=nA0(1-x)nB=nB0-(b/a)nA0xnP=nP0+(p/a)nA0xns=ns0+(s/a)nA0x膨脹因子:當(dāng)每消耗(或生成)1mol反應(yīng)物A(或產(chǎn)物P)時,整個物系總摩爾數(shù)的變化值.第8頁/共77頁習(xí)題2.4nt=n0+δAnA0x恒容反應(yīng):P=P0(1+0.0375x)恒壓反應(yīng):P=P0膨脹率:當(dāng)反應(yīng)物A全部反應(yīng)后,系統(tǒng)體積的變化率:以膨脹率表征變?nèi)莩潭葧r,不但要考慮反應(yīng)的計量關(guān)系,還要考慮系統(tǒng)內(nèi)是否含有惰性氣體,而以膨脹因子表達時,與惰性物料是否存在無關(guān).第9頁/共77頁習(xí)題2.5NO和O2氧化為NO2的反應(yīng)是一個三級反應(yīng),2NO+O2=2NO2,在30℃及1kg/cm2下測得其反應(yīng)速率常數(shù)為kc=2.65×104L2/(mol2·s).如果將速率方程表示為分壓的函數(shù):rA=kppNO2pO2,請問反應(yīng)速率常數(shù)的kp值和單位是什么?第10頁/共77頁習(xí)題2.5反應(yīng)速率常數(shù)的kp值:知識點:化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)第11頁/共77頁習(xí)題2.6有一反應(yīng),已知下列速率常數(shù):溫度/℃58.177.9k/(1/h)0.1170.296求該反應(yīng)的活化能和指前因子第12頁/共77頁習(xí)題2.6知識點:活化能、指前因子、Arrhenius方程K0=1641236.4(1/h)第13頁/共77頁習(xí)題2.7乙醇同乙酸在鹽酸水溶液中的可逆酯化反應(yīng)CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5,實驗測得100℃時的反應(yīng)速率常數(shù)為:rA=k1CACB-k2CpCsk1=4.76×10-4m3/(min·kmol)k2=1.63×10-4m3/(min·kmol)今有一反應(yīng)器,充滿0.3785m3水溶液,其中含CH3COOH90.8kg,含C2H5OH181.6kg,所用鹽酸濃度相同,假定在反應(yīng)器中的水分不蒸發(fā),物料密度恒定為1043kg/m3,求:(1)反應(yīng)120min后,CH3COOH轉(zhuǎn)化酯的轉(zhuǎn)化率;(2)忽略逆反應(yīng)影響,反應(yīng)120min后,乙醇的轉(zhuǎn)化率;(3)平衡轉(zhuǎn)化率第14頁/共77頁習(xí)題2.7CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5CA0CB0Cp0t=0CA0(1-x)CB0-CA0xCp0+CA0xCA0xt=t第15頁/共77頁習(xí)題2.7CA0=4.066mol/m3CB0=10.43mol/m3CP0=17.96mol/m3x=0.356令第16頁/共77頁習(xí)題2.7(2):忽略逆反應(yīng)的影響x=0.418乙醇轉(zhuǎn)化率:(CB0-CA0x)/CB0=0.839(3)平衡轉(zhuǎn)化率xe=0.5465第17頁/共77頁等溫恒容不可逆反應(yīng)的動力學(xué)方程反應(yīng)動力學(xué)方程動力學(xué)方程積分式0級-rA=k1級-rA=kCA2級-rA=kCA2-rA=kCACB(CA0=CB0)2級-rA=kCACB(CA0≠CB0)3級-rA=kCA2CB第18頁/共77頁等溫恒容可逆反應(yīng)的動力學(xué)方程反應(yīng)反應(yīng)式動力學(xué)方程積分式1級AP2級A+BP+S(CA0=CB0)2級2A2P同上式,m=22級2AP+S同上式,m=12級A+B2P同上式,m=4第19頁/共77頁習(xí)題2.10乙炔與氯化氫在HgCl2/活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應(yīng)C2H2+HCl=C2H3Cl其動力學(xué)方程有以下幾種可能的形式:(1)r=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2(2)r=kKAKBpApB/(1+KApA)(1+kBpB+kcPc)

(3)r=kKApApB/(1+KApA+kBpB)

(4)r=kKBpApB/(1+kBpB+kcPc)試根據(jù)理想表面假設(shè)說明各式對應(yīng)的機理假設(shè)及其控制步驟第20頁/共77頁習(xí)題2.10(1)機理:A+σAσB+σBσAσ+BσCσ+σ(控制步驟)CσC+σkaApAθv-kdAθA=0θA=KApAθVθB=KBpBθVθC=KCpCθVθA+θB+θC+θV=1θv=1/(1+KApA+KBpB+KCpC)

r=k+θAθB-k-θCθVr=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2k=k+KAKBK=k+KAKB/(k-KC)第21頁/共77頁習(xí)題2.10(2)機理:A+σ1AσB+σ2Bσ2Aσ1+Bσ2Cσ2+σ2(控制步驟)Cσ2C+σ2(2)機理:A+σ1AσB+σ2Bσ2Aσ1+Bσ2Cσ2+σ2(控制步驟)Cσ2C+σ2kaApAθv1-kdAθA=0θA=KApAθV1θA+θV1=1θV1

=1/(1+KApA)θB=KBpBθV2θC=KCpCθV2θB+θC+θV2=1θv2=1/(1+KBpB+KCpC)r=k+θAθBr=kpApB/{(1+KApA)(1+KBpB+KcPc)}k=k+KAKB第22頁/共77頁習(xí)題2.10(3)機理:A+σAσB+σBσAσ+BC+σ(控制步驟)kaApAθv-kdAθA=0θA=KApAθVθB=KBpBθVθB+θA+θV=1θv=1/(1+KBpB+KApA)

r=k+θApBr=k+KApApB/(1+KBpB+KAPA)第23頁/共77頁習(xí)題2.10(4)機理:B+σBσ

CσC+σA+BσCσ(控制步驟)kaBpBθv-kdBθB=0θB=KBpBθVθC=KCpCθVθC+θB+θV=1θv=1/(1+KBpB+KCpC)

r=k+pAθBr=k+KBpApB/(1+KBpB+KCPC)}第24頁/共77頁習(xí)題2.10解題要點:根據(jù)吸附項的冪可以確定有幾個活性點參加此控制反應(yīng)根據(jù)吸附項中是否出現(xiàn)開根號,可以判斷是否有物質(zhì)解離根據(jù)推動力項中是否出現(xiàn)減號,可以判斷是否是可逆反應(yīng)根據(jù)推動力項中反應(yīng)物出現(xiàn)的冪數(shù)可以確定參加反應(yīng)的物質(zhì)的數(shù)量第25頁/共77頁習(xí)題2.11水蒸汽和一氧化碳變換反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2在以Fe3O4為主劑的催化劑上進行的Redox反應(yīng).該反應(yīng)的機理為:氧化過程:H2O+σ=Oσ+H2還原過程:CO+Oσ=CO2+σ在不同的溫區(qū),反應(yīng)的控制步驟可能發(fā)生變化.試分別推導(dǎo):(1)過程為氧化步驟控制時的動力學(xué)方程(2)過程為還原步驟控制時的動力學(xué)方程第26頁/共77頁習(xí)題2.11(1)氧化步驟控制還原反應(yīng)采用擬穩(wěn)態(tài):k2+pCOθO-k2-pCO2θV=0θV=KpCO/(pCO2+KpCO)K=k2+/k2-θO=pCO2/(pCO2+KpCO)r=k1+pH2OθV-k1-pH2

θO

=(k1+KpH2OpCO-k1-pH2pCO2)/(pCO2+KpCO)第27頁/共77頁習(xí)題2.11(2)還原步驟控制氧化反應(yīng)采用擬穩(wěn)態(tài):k1+pH2OθV-k1-pH2θO=0θV=pH2/(K1pH2O+pH2)K1=k1+/k1-θO=K1pH2O/(K1pH2O+pH2)r=k2+pCOθO-k2-pCO2

θv

=(k2+K1pCOpH2O-k2-pCO2pH2)/(K1pH2O+pH2)第28頁/共77頁習(xí)題2.12在氧化鉭催化劑上進行乙醇氧化反應(yīng)：C2H5OH(A)+0.5O2(B)CH3CHO(L)+H2O(M)乙醇和氧分別在兩類活性中心1和2上離解吸附，反應(yīng)機理為：C2H5OH+21=C2H5O1+H1O2+22=2O2C2H5O1+O2-C2H4O+OH2+1OH2+H1=H2O2+1H2O2=H2O+2試推導(dǎo)該反應(yīng)的動力學(xué)方程式。第29頁/共77頁習(xí)題2.8用純組分A在一恒容間歇反應(yīng)器中進行可逆反應(yīng)A=2.5P,實驗測得反應(yīng)體系的壓力數(shù)據(jù)為:時間/min02468101214∞pA10.80.6250.510.420.360.320.280.2試確定該反應(yīng)的速率方程式第30頁/共77頁習(xí)題2.8設(shè)反應(yīng)為一級可逆反應(yīng):-rA=k1CA-k2(CA0-CA)積分得:作圖K=k1/k2=(CA0-CAe)/CAe=4k1=0.129k2=0.0322-rA=0.129CA-0.0322(CA0-CA)第31頁/共77頁習(xí)題2.9有一復(fù)雜反應(yīng),如果幾個反應(yīng)的指前因子相差不大,而活化能E1>E2,E1>E3,E4>E3.應(yīng)如何控制操作溫度才能使產(chǎn)物S的收率增大?第32頁/共77頁習(xí)題2.9rs=k3CB-rA=(k1+k2)CA第33頁/共77頁物料流率:反應(yīng)時間:所需反應(yīng)器體積:習(xí)題3.1第34頁/共77頁習(xí)題3.2等溫操作的間歇反應(yīng)器中進行一級液相反應(yīng),13min后反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率達到70%.如果分別在平推流和全混流反應(yīng)器中進行此反應(yīng),達到相同轉(zhuǎn)化率,所需空時多少?第35頁/共77頁習(xí)題3.2解:一級反應(yīng),間歇過程:ln(1/(1-x))=kt得:k=0.0926平推流與間歇釜相同,為13min全混流:t=x/k(1-x)=25.19(min)第36頁/共77頁習(xí)題3.3第37頁/共77頁習(xí)題3.350%A時,yA0=0.5,CA0=244.47mol/m3

ε=1,k=0.05676單管流量:4.7328m3/h,故需管數(shù):68根,并聯(lián)第38頁/共77頁習(xí)題3.4一級反應(yīng)停留時間t=8.5SVsp=1/t=0.117反應(yīng)器體積:V=2.8m3進料物流:第39頁/共77頁3.5時間t=507.6min平推流V0=171.23ml/h全混流時間t=2538.1min反應(yīng)器體積:V=1448.67mL反應(yīng)器體積:V=7243.4mL第40頁/共77頁習(xí)題3.7乙酸酐在25℃等溫水解,加料速度為500ml/min,反應(yīng)速率為rA=0.158CA,(1)以一個5L全混流或兩個2.5L串聯(lián)全混流,那一種情況的轉(zhuǎn)化率大(2)兩個2.5L全混流并聯(lián),每個加料速率250ml/min,轉(zhuǎn)化率為多少?(3)2.5L平推流和2.5L全混流串聯(lián),求轉(zhuǎn)化率(4)5L平推流反應(yīng)器操作,求轉(zhuǎn)化率?第41頁/共77頁習(xí)題3.7(1)5L全混流:得xA=0.61242.5L兩釜串聯(lián):xA1=0.4413xA2=0.6879(2):停留時間相同,故轉(zhuǎn)化率相同xA=0.6124(3):kt=-ln(1-xA1)得轉(zhuǎn)化率為:xA1=0.546xA2=0.7465(4):kt=-ln(1-xA)得轉(zhuǎn)化率為:xA=0.794第42頁/共77頁習(xí)題3.9(1)平推流:

全混流:(2)二級反應(yīng):平推流:全混流:第43頁/共77頁習(xí)題3.9(2)?級反應(yīng)平推流:

全混流:(2)-1級反應(yīng):平推流:全混流:第44頁/共77頁習(xí)題3.9(3)一級反應(yīng)為例平推流:

全混流:xA=0.6,km=1.637kpTm=158.9℃xA=0.9km=3.908kpTm=175.6℃第45頁/共77頁習(xí)題3.10平推流:即A→B→C組分B的收率:CB/CA0=47.73%第46頁/共77頁習(xí)題3.10全混流:即A→B→C組分B的收率:CB/CA0=33.33%第47頁/共77頁3.11A與B停留時間相同,則B的轉(zhuǎn)化率XB=1/6,因而產(chǎn)品中R為:75%第48頁/共77頁習(xí)題3.12(1)c(t)~t曲線τ=5min（2）V=V0τ=2840Lt012345678910C(t)00.10.20.30.40.50.40.30.20.10E(t)00.040.080.120.160.20.160.120.080.040F(t)00.020.080.180.320.50.680.820.920.981第49頁/共77頁習(xí)題3.12(3)平推流：

xA=0.857(4)全混流：

xA=0.667(5)完全離析流：xA=0.8305第50頁/共77頁習(xí)題3.12(6)最大混合模型——Euler式轉(zhuǎn)化率：0.79t0.000.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.753.003.253.503.754.004.254.504.755.00C(t)0.000.030.050.080.100.130.150.180.200.230.250.280.300.330.350.380.400.430.450.480.50E(t)0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.110.120.130.140.150.160.170.180.190.20F(t)0.000.000.010.010.020.030.050.060.080.100.130.150.180.210.250.280.320.360.410.450.50xi0.790.780.770.760.750.730.720.710.700.690.680.660.650.640.620.610.590.580.560.550.545.255.505.756.006.256.506.757.007.257.507.758.008.258.508.759.009.259.509.7510.000.480.450.430.400.380.350.330.300.280.250.230.200.180.150.130.100.080.050.020.000.190.180.170.160.150.140.130.120.110.100.090.080.070.060.050.040.030.020.010.000.550.600.640.680.720.760.790.820.850.880.900.920.940.960.970.980.991.001.001.000.530.520.510.500.490.480.470.450.440.420.400.380.350.330.290.240.40-0.150.300.00第51頁/共77頁習(xí)題3.14第52頁/共77頁習(xí)題3.14轉(zhuǎn)化率：第53頁/共77頁習(xí)題3.15解:(1):第54頁/共77頁習(xí)題3.15第55頁/共77頁習(xí)題3.15(3)F(t)|t=230-270=0.37(4):F(t)|t=250=0.42(5):(7)方差:(8):平推流:σ2=0全混流:σ2=τ2實際反應(yīng)器0<σ2<τ2τ2=6844234第56頁/共77頁習(xí)題4.9在直徑6mm的球形催化劑上進行一級不可逆反應(yīng).CAs=9.5×10-5mol/cm3,Ts=623K,k(Ts)=11.8s-1.(-ΔHr)=3.15×104cal/mol,E=2.48×104cal/mol.催化劑有效導(dǎo)熱系數(shù)4.8×10-4cal/(cmsK),De=1.5×10-2cm2/s.(1)顆粒中心與催化劑外表面的最大溫差(2)等溫處理的效率因子(3)非等溫處理的效率因子第57頁/共77頁習(xí)題4.9(1):T-Ts=(-DHr)De(cAs-cA)/e=93.52K(2):λ=(Kv/De)0.5=2804.8Φ=λR/3=2.8,η=0.314(3):查圖4.6γ=20.β=0.15,φ=2.8,

η=1.3非等溫,效率因子可大于1.差異非常大第58頁/共77頁習(xí)題4.13900℃,1atm,含O28%的氣體焙燒球形鋅礦.2ZnS+3O22ZnO+2SO2反應(yīng)按收縮未反應(yīng)芯模型.k=2cm/s,ρB=4.13g/cm3=0.0425mol/cm3.De=0.08cm2/s.若氣膜阻力可以忽略,試分別計算rs為1mm和0.05mm時顆粒完全反應(yīng)時間及反應(yīng)過程中產(chǎn)物層內(nèi)擴散阻力的相對大小第59頁/共77頁習(xí)題4.13考慮表面化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)擴散阻力:結(jié)合:可得:第60頁/共77頁習(xí)題4.13分別得到完全反應(yīng)的時間為:5432.7s和195.7s阻力比:取積分平均:因而可得:阻力比分別為0.417和0.021第61頁/共77頁習(xí)題4.141atmH2還原鐵礦,4H2+Fe3O44H2O+3Fe反應(yīng)可近似用收縮未反應(yīng)芯模型.反應(yīng)速率近似正比于氣相中H2的濃度.k=1.93×105exp(-2400/RgT)cm/s.rS=5mm,ρB=4.6g/cm3,De=0.03cm2/s,忽略氣膜阻力,有無其它阻力控制,計算500℃時的完全反應(yīng)時間第62頁/共77頁習(xí)題4.14k=40516得總反應(yīng)時間為6986.7s按內(nèi)擴散計算為:6986.67s阻力比為:112545內(nèi)擴散控制第63頁/共77頁習(xí)題5.2在連續(xù)流動反應(yīng)器中,基元反應(yīng):A+B2C,A、B等物質(zhì)進料，體積流量為2L/s,27℃進料。HA273K=-20kcal/mol,HB273K=-15kcal/mol,Hc273K=-41kcal/mol,CA0=0.1mol/L,Cp,A=Cp,B=15cal/(molK),Cp,c=30,300K時，k=0.01L/(molS)E=10000cal/mol.(1)85%轉(zhuǎn)化率，平推流、全混流絕熱反應(yīng)器體積（2）全部轉(zhuǎn)化，反溫度不超過550K，進料溫度（3）平推流的轉(zhuǎn)化率、溫度變化曲線（4）500L絕熱全混流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率第64頁/共77頁習(xí)題5.2解：(1)全混流反應(yīng)器：ΔHr,273K=2Hc,273K-HA,273K-HB,273K=-47kcal/mol=-196.46kJ/molΔCp=2Cp,c-Cp,B-Cp,A=30cal/(mol·K)=125.4J/(mol·K)ΔHr(T)=ΔHr(Tr)+ΔCp(T-Tr)=-196.46×103+125.4(T-273)F0Cp0=FA0Cp,A+FB0Cp,B+FC0Cp,C=2×0.1×2×15=6cal/(s·K)=25.08J/(s·K)第65頁/共77頁習(xí)題5.2FCpt=FA0(1-xA)Cp,A+FB0(1-xA)Cp,B+2FA0xACp,C=2×0.1×2×15+(2×2×0.1×30-2×2×0.1×15)xA=6+6xAcal/(s·K)=25.08(1+xA)J/(s·K)全混流熱衡算：FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)FA0xAT=690.3KK=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)=130.33L/(mol·s)rA=kCACB=kCA2=kCA02(1-xA)2=0.029(mol/L·s)V=v0(cA0-cA)/rA=v0CA0xA/rA=5.8L第66頁/共77頁習(xí)題5.2管式反應(yīng)器K=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)FA0xA積分可得反應(yīng)器體積：62L為什么全混流體積比平推流小？第67頁/共77頁習(xí)題5.2(2)進料最高溫度FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)FA0xA其中:T=550K,xAf=1則求得T0=-189.7第68頁/共77頁習(xí)題5.2第69頁/共77頁習(xí)題5.2(4)FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)