化學反應工程習題答案第1頁/共77頁習題2.1如果該題目改為:人對反應的水份不產生影響.且不給出CO2的出口濃度,則:重要知識點:關鍵組分的轉化率

第2頁/共77頁習題2.2在210℃等溫條件下,進行亞硝酸乙酯的氣相分解反應該反應為一級不可逆反應,反應速率常數與溫度的關系為:活化能E的單位為cal/mol,若反應在恒容下進行,系統起始狀態為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頁習題2.2t(1-x)x0.5x0.5x反應總壓力:P=1+x=1.8(at)知識點:反應速率:Arrheniuslaw:第4頁/共77頁習題2.3對于不可逆基元反應：aA+bB——cC+dD其速率方程式可表示為：rA=kCAaCBb如果以A為基準物，反應方程式兩邊除以A有計量系數a，方程式可寫為A+(b/a)B——(c/a)C+(d/a)D則其動力學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頁習題2.3通常對基元反應而言,可以說:單分子反應、雙分子反應、三分子反應什么是基元反應？反應物分子在碰撞中一步直接轉化為生成物分子的反應.GuldbergandWaage[J.Prckt.Chem.19,71(1879)]指出：化學反應的速率與反應物的有效質量成正比只有基元反應在反應物濃度不太大的情況下才符合質量作用定律第6頁/共77頁習題2.4工業上以氮氧化物生產硝酸,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%,進氣狀態為8.2at,227℃.試求:(1)進氣總濃度和氨濃度;(2)恒壓間歇反應器中,分別寫出反應轉化率對pi,Ci,和體積V的函數;(3)恒容間歇反應器中,分別寫出反應轉化率對pi,Ci,和總壓P的函數;第7頁/共77頁習題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:當每消耗(或生成)1mol反應物A(或產物P)時,整個物系總摩爾數的變化值.第8頁/共77頁習題2.4nt=n0+δAnA0x恒容反應:P=P0(1+0.0375x)恒壓反應:P=P0膨脹率:當反應物A全部反應后,系統體積的變化率:以膨脹率表征變容程度時,不但要考慮反應的計量關系,還要考慮系統內是否含有惰性氣體,而以膨脹因子表達時,與惰性物料是否存在無關.第9頁/共77頁習題2.5NO和O2氧化為NO2的反應是一個三級反應,2NO+O2=2NO2,在30℃及1kg/cm2下測得其反應速率常數為kc=2.65×104L2/(mol2·s).如果將速率方程表示為分壓的函數:rA=kppNO2pO2,請問反應速率常數的kp值和單位是什么?第10頁/共77頁習題2.5反應速率常數的kp值:知識點:化學反應速率常數第11頁/共77頁習題2.6有一反應,已知下列速率常數:溫度/℃58.177.9k/(1/h)0.1170.296求該反應的活化能和指前因子第12頁/共77頁習題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頁習題2.7乙醇同乙酸在鹽酸水溶液中的可逆酯化反應CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5,實驗測得100℃時的反應速率常數為:rA=k1CACB-k2CpCsk1=4.76×10-4m3/(min·kmol)k2=1.63×10-4m3/(min·kmol)今有一反應器,充滿0.3785m3水溶液,其中含CH3COOH90.8kg,含C2H5OH181.6kg,所用鹽酸濃度相同,假定在反應器中的水分不蒸發,物料密度恒定為1043kg/m3,求:(1)反應120min后,CH3COOH轉化酯的轉化率;(2)忽略逆反應影響,反應120min后,乙醇的轉化率;(3)平衡轉化率第14頁/共77頁習題2.7CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5CA0CB0Cp0t=0CA0(1-x)CB0-CA0xCp0+CA0xCA0xt=t第15頁/共77頁習題2.7CA0=4.066mol/m3CB0=10.43mol/m3CP0=17.96mol/m3x=0.356令第16頁/共77頁習題2.7(2):忽略逆反應的影響x=0.418乙醇轉化率:(CB0-CA0x)/CB0=0.839(3)平衡轉化率xe=0.5465第17頁/共77頁等溫恒容不可逆反應的動力學方程反應動力學方程動力學方程積分式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的動力學方程反應反應式動力學方程積分式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C2H2+HCl=C2H3Cl其動力學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)試根據理想表面假設說明各式對應的機理假設及其控制步驟第20頁/共77頁習題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頁習題2.10解題要點:根據吸附項的冪可以確定有幾個活性點參加此控制反應根據吸附項中是否出現開根號,可以判斷是否有物質解離根據推動力項中是否出現減號,可以判斷是否是可逆反應根據推動力項中反應物出現的冪數可以確定參加反應的物質的數量第25頁/共77頁習題2.11水蒸汽和一氧化碳變換反應CO+H2O=CO2+H2在以Fe3O4為主劑的催化劑上進行的Redox反應.該反應的機理為:氧化過程:H2O+σ=Oσ+H2還原過程:CO+Oσ=CO2+σ在不同的溫區,反應的控制步驟可能發生變化.試分別推導:(1)過程為氧化步驟控制時的動力學方程(2)過程為還原步驟控制時的動力學方程第26頁/共77頁習題2.11(1)氧化步驟控制還原反應采用擬穩態: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頁習題2.11(2)還原步驟控制氧化反應采用擬穩態: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頁習題2.12在氧化鉭催化劑上進行乙醇氧化反應：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，反應機理為：C2H5OH+21=C2H5O1+H1O2+22=2O2C2H5O1+O2-C2H4O+OH2+1OH2+H1=H2O2+1H2O2=H2O+2試推導該反應的動力學方程式。第29頁/共77頁習題2.8用純組分A在一恒容間歇反應器中進行可逆反應A=2.5P,實驗測得反應體系的壓力數據為:時間/min02468101214∞pA10.80.6250.510.420.360.320.280.2試確定該反應的速率方程式第30頁/共77頁習題2.8設反應為一級可逆反應:-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頁習題2.9有一復雜反應,如果幾個反應的指前因子相差不大,而活化能E1>E2,E1>E3,E4>E3.應如何控制操作溫度才能使產物S的收率增大?第32頁/共77頁習題2.9rs=k3CB-rA=(k1+k2)CA第33頁/共77頁物料流率:反應時間:所需反應器體積:習題3.1第34頁/共77頁習題3.2等溫操作的間歇反應器中進行一級液相反應,13min后反應物轉化率達到70%.如果分別在平推流和全混流反應器中進行此反應,達到相同轉化率,所需空時多少?第35頁/共77頁習題3.2解:一級反應,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頁習題3.3第37頁/共77頁習題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:68根,并聯第38頁/共77頁習題3.4一級反應停留時間t=8.5SVsp=1/t=0.117反應器體積: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反應器體積:V=1448.67mL反應器體積:V=7243.4mL第40頁/共77頁習題3.7乙酸酐在25℃等溫水解,加料速度為500ml/min,反應速率為rA=0.158CA,(1)以一個5L全混流或兩個2.5L串聯全混流,那一種情況的轉化率大(2)兩個2.5L全混流并聯,每個加料速率250ml/min,轉化率為多少?(3)2.5L平推流和2.5L全混流串聯,求轉化率(4)5L平推流反應器操作,求轉化率?第41頁/共77頁習題3.7(1)5L全混流:得xA=0.61242.5L兩釜串聯:xA1=0.4413xA2=0.6879(2):停留時間相同,故轉化率相同xA=0.6124(3):kt=-ln(1-xA1)得轉化率為:xA1=0.546xA2=0.7465(4):kt=-ln(1-xA)得轉化率為:xA=0.794第42頁/共77頁習題3.9(1)平推流:

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

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

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的轉化率XB=1/6,因而產品中R為:75%第48頁/共77頁習題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頁習題3.12(6)最大混合模型——Euler式轉化率：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頁習題3.14第52頁/共77頁習題3.14轉化率：第53頁/共77頁習題3.15解:(1):第54頁/共77頁習題3.15第55頁/共77頁習題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實際反應器0<σ2<τ2τ2=6844234第56頁/共77頁習題4.9在直徑6mm的球形催化劑上進行一級不可逆反應.CAs=9.5×10-5mol/cm3,Ts=623K,k(Ts)=11.8s-1.(-ΔHr)=3.15×104cal/mol,E=2.48×104cal/mol.催化劑有效導熱系數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頁習題4.13900℃,1atm,含O28%的氣體焙燒球形鋅礦.2ZnS+3O22ZnO+2SO2反應按收縮未反應芯模型.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時顆粒完全反應時間及反應過程中產物層內擴散阻力的相對大小第59頁/共77頁習題4.13考慮表面化學反應和內擴散阻力:結合:可得:第60頁/共77頁習題4.13分別得到完全反應的時間為: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頁習題4.141atmH2還原鐵礦,4H2+Fe3O44H2O+3Fe反應可近似用收縮未反應芯模型.反應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℃時的完全反應時間第62頁/共77頁習題4.14k=40516得總反應時間為6986.7s按內擴散計算為:6986.67s阻力比為:112545內擴散控制第63頁/共77頁習題5.2在連續流動反應器中,基元反應:A+B2C,A、B等物質進料，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%轉化率，平推流、全混流絕熱反應器體積（2）全部轉化，反溫度不超過550K，進料溫度（3）平推流的轉化率、溫度變化曲線（4）500L絕熱全混流反應器的轉化率第64頁/共77頁習題5.2解：(1)全混流反應器：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頁習題5.2管式反應器K=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)FA0xA積分可得反應器體積：62L為什么全混流體積比平推流小？第67頁/共77頁習題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頁習題5.2第69頁/共77頁習題5.2(4)FCPtT-F0CP0T0=-ΔHr(T)