反应工程第五章习题答案

1、化学反应工程习题（第五章）5.1乙炔与氯化氢在HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应CH+HCloCHCl2223(A)(B)(C)其动力学方程式可有如下种种形式：(1)r=k(pp-p/K)/(1+Kp+Kp+Kp)2ABCAABBCC(2)r=kKKpp/(1+Kp+Kp)(1+Kp)ABABBBCCAA(3)r=kKpp/(1+Kp+Kp)AABAABB(4)r=kKpp/(1+Kp+Kp)BABBBCC试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。解：（1）A+coAcB+coBcAc+BcoCc+c（控制步骤）CcoC+c（2）A+coAc11B+coBc22Ac+BctCc+c（控制步

2、骤）1221CcoC+c11（3）A+coAcB+coBcAc+BtC+c（控制步骤）（4）B+coBcA+BctCc（控制步骤）CcoC+c5.2在Pd-Al2O3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为1CH+CHCOOH+一OoCHCOOCH+HO243222232实验测得的初速率数据如下功刀等，化工志71，2007（1968）.115C,p=200mmHg,AcOHp=92mmHo2g。p(mmHg)CH2470100195247315465rx105(mol/hr-g催化剂)03.94.46.06.67.255.4注：lmmHg=133.322Pa如反应机理设想为AcOH+QoAcOHQC

3、H+QoCHQ2424AcOH+CHoHCHOAcQ+Q2424O+2Qo2OQ2HCHOAcQ+OQTCHOAcQ+HOQ（控制步骤）24232CHOAcQoCHOAc+Q2323HOQoHO+Q22试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。解：1CH+CHCOOH+OoCHCOOCH+HO243222232A）（B）（C）E）F）0=KP00=KP00=vKP0AAAVBBBVCCCV0=kKKPP00=KP00=KP0Ds1ABABVEEEVFFFAkkKKPPKPV1+KP+KP+.：KP+kKKPP+KP+KPABBCCs1ABABEEFFK+KP23A计算”3值如下表:0p（m

4、mHg）C2H470100195247315465rx105（mol/hr-g催化剂）03.94.46.06.67.255.4十x10-3T01.341.511.801.932.082.93以6对P作图，基本上为一直线。rao上述数据与反应速度式基本符合。5.3某反应AR+S，其动力学方程式为一r=kK(p一pp/K)/(1+Kp+Kp)AAARSAARR解：设总压不变且pA0=p0=p(pR0=ps0=0)p(1-x)=A0AA1+5yxAA0A(1-x)Ap(1+X)A0A(1-X)Ap(1+X)AA试导出平推流式的等温积分反应管中转化率XA与W/Fao的关系式。同理:xp=p=A-pRs

5、1+xA将各p值代人题中给出的动力学方程式，并简化得:-r=(1-a2x2)/(bx2+cx+d)A式中:1b=(+KpR-K)/kKAA2c=(+K)/kKpRA/kKAx=xA并设-r是以单位床层体积为基准的，反应管中堆积密度为p（不应存在密度项）。AB=bJxf竺dx+cJxf01-a2x20 x,dx+d1-a2x2Jx0d,dx1-a2x2j-2Jxf2a01-ax2ao1+axdx+cJxf01-a2x2dx+dJxf2o1-axdx+dJxf2o1+axdxb+d1+axlnf2a1-axfcln(1-a2x2)-bxff2a25.4在200C下，苯在Ni催化剂上加氢。已知催化剂

6、微孔的平均孔径4.0mm，求总压分别为O.IMpa及3.5MPa下氢的扩散系数。解：由陈甘棠（81版）表5.3-4查得：H:g/k=59.72Q=2.827x10-iomCH:g/k=412.366Q=5.349设本系统可由苯与氢的二组分系统代表，则由5.3-62）及（5.3-63）式，得：aAB11=(a+a)=(2.827+5.349)=4.0882AB2故：由表5.3-3查得：代入（5.3-61）式：DgAB0ABH2-C6H当p=0.1MPa=1atm时当p=3.5MPa=35atm时(gg)1/2=k(59.7x412.3)AB=473/157.0AB=0.9483H2-C1/215

7、7.0k=30.10.001858(473)3/21(2.016p(4.088)2(0.9483)0.860cm2/s=0.860cm2/s10.860cm2/sDH-C20.860cm2/s=0.02457cm2/s35至于努森扩散则由（5.3-65）式计算，它与总压是无关的。473=9700(0.4)()1/2=59431.5cm2/s2.016由此可知，由于孔径较大，努森扩散的影响可以忽略。解法2：由于孔径4mm很大，因此直接用分子扩散的公式（参考朱炳晨的书）5.5异丙苯在催化剂上裂解而生成苯，如催化剂为微球状，d=0.4cm,p=1.06g/cm3,pp=0.52,S=350m2/g，

8、求在500C,O.IMpa时，异丙苯的微孔中的有效扩散系数。设已知微pg孔的曲折因子T=3，异丙苯-苯的分子扩散系数为0.155cm2/so解：2V2g2x0.52a=g=l=2.8x10-7cmSpS1.06x350 x104gpg孔径很小属努森扩散区：1Dk=9700 x2.8x10-7500*273=6.89x10-3cm2/s120D=1/D*1/DkAB6.89x10-3D=e0.52x6.60 x10-3=6.60 x10-3cm2/sD1k+0.155=1.14x10-3cm2/s迷宫因子是催化剂中的一种加速或者减弱催化的酶的催化系数，这个系数决定了催化的速度。5.6兹有直径为0

9、.2cm高0.2cm及直径为0.8cm高0.8cm的两种催化剂粒子分别在等温的管中进行测试，填充体积为150cm3，床层空隙率0.40，所用气体流量均为3cm3/s，粒子孔隙率均为0.35，迷宫因子0.20，反应为一级不可逆，对直径为0.2cm催化剂，达到的转化率为66%，而对直径为0.8cm的催化剂则为30%，如气体密度不变，问:（1）这两种床层催化剂有效系数是多少？（2）气体真实的扩散系数为多少？解：（1）设等比表面当量球半径RR2：p1p2，故R=RP4冗R2表面积/体积-=4冗R23PR0.1R=R=0.2/2=0.1cmP11R=R2=0.8/2=0.4cm，P2比=0.25R0.4

10、P2一级反应催化剂有效系数与浓度无关，分别设为n1，n2dxTpcA0-rA=cA0Jx0dx耳kc（1一x）vA0Af11In-耳k1一xvAf1tk耳=In=0.357p221-0.3式中-r，t均以催化剂粒子体积为基准:Ap1tk耳=In=1.079，p211-0.66m/耳=3.02TOC o 1-5 h z219/9=R/R=0.2512P1P2311根据式(5.3-91)计算，耳=(-)，用试差法求得: HYPERLINK l bookmark8 9tan99sss9=3.299=13.16q=0.637q=0.211212此算法均是将圆柱子化作当量球形求解1.0790.357V(

11、1-8)150 x0.6(2)k=(或-)T=R=30(s)vTqTqpV3p1p201.079k=5.65x10-2(1/s)v30 x0.637由式(5.3-78)R2k0.12x5.65x10-2D=P1=5.22x10-5cm2/se923.2921TOC o 1-5 h zDT02X5.22X10-5D=-e=2.98x10-5cm2/s80.35p5.7某组分A在540C下的催化剂上反应，其速率式为(一r)=8.36x10-13p2mols催化剂AAQA的单位为Pa。如催化剂颗粒的密度为08g/cm3，当量直径为0.3cm，颗粒外表面上A的分压为Pas=1.2X104Pa,A的组分

12、在粒内的扩散系数为0.020cm2/s,求催化剂的有效系数。解：用浓度表示时(一r)=8.3X-1RT2c)=kcCPV=nRTApAvA故：-rAk=8.36x10-13(0.80)(8.314x813)2c2=3.0556x10-5c2AvAA又R=0.3cm代入(5.3-77)0s=0.3、3.0556x10-5x1.2x1048.314x813x0.02=0.01562于是从图5.3-11中查得：n=0.915.8某一加氢化反应，在0.2Mpa及80C下进行，如粒子的p=1.16g/cm3，入e=1.065X10-iw/mK，H在粒内的扩散系数D=3.0X10-2cm2/s,反应热H=

13、T80Kj/mol，反应的活化能为2e62.8Kj/mol，如反应组分在进料气中占20%,而用无内扩散影响的细粒子测得的反应速率为10X10-7mol/sg催化剂，试估算粒度为d=1.30cm时的反应速率。pR21R21解：=(-r)=耳(-r)=AqDAcDAsceAseAs式中(-r)为以粒子体积为基准的粒子表面反应速度。As1X20%c=廿=0.0069mol/m3TOC o 1-5 h zAsRT0.082(273+80)1.3(一)2R2121A=(r)=2x10 x10-7x1.16x=2.37DAsc3x10-20.0069x10-3eAsc(AH)De180X103X0.006

14、9x10-3卩=eAs=0.072九T1.465x10-1x10-2(273+80)es21.4E=62.8x1000RT&314(273+80)由B=0.072,=2.37耳在图5.3-16上试查得=2,耳=1.3。2B(s)R(s)5.9有一气-固相非催化反应已知固体颗粒直径为2cm,颗粒表面的分压为0.09Mpa,反应速率由灰层内A的扩散所控制,该扩散系数为0.020cm2/s。如用缩核模型，求当B转化到40%及80%时所需的时间和当时的反应速率。解：由题意可得,反应速率由灰层内扩散所控制,且为缩核模型：6bDeeAg6bDpeA6x2x2x10-6x9x104gB又1-=13(x2)3

15、+2-(x1)TAAt=13(024-2(1-T0=.4)x0.80 x57-T43p.8=510 x-T4p3.1-BBt=13(0283-2(1-T0=.8)x1.x13-3T4.p85=10 x-T4p4.362BBrx=1一&3)，当x=0.4r时，0.4=1-(p)3nr=0.1687应为rBARARe1当x=0.8时，0.8r=1-(十)3r=0.1170ARe1p()2RTpR2(2x10-2/2)2x8.314T2B简化p10又10105.10一含有15%反应组分A和85%惰性组分的混合气体在总压0.2Mpa下通过含反应组分B2.6X10-6mol/cm3的60C恒温液体，已知

16、在该条件下，反应器中的持液率为0.85，比表面积为2.8cm2/cm3，传质系数k=0.066cm/s，扩散系数D=2.0X10-5cm2/s，亨利常数H=1.18LALAAX107Pa/mol/l，化学反应速率式-r=18.4eemol/em3-sAAB如气相传质阻力可以忽略，而液相中A的传质阻力需加考虑，问这时以单位容积计的反应速LBLBLB率为多少？解：（陈甘棠81版P314）由已知可得，按拟一级反应处理，由（8-2-12）式Y=、jkcD/k=18.4x2.6x10-6x2.0 x10-5/0.066=4.687x10-5TOC o 1-5 h zBLLAlA故y2130r#10.85x18x42.610HS-+RNH+222此反应属不可逆瞬间反应，已知数据为：ka=0.0301/s，ka=6.0 x10-10mol/cm3-s-Pa,D=1.5x10-5cm2/sLAGALAD=10-5cm2/sH=1.15a-lmo(对HSHO)LBA22确定适用于操作条件下的速率方程式的型式，并指明比直接在纯水内进行物理吸收快多少？解：p=2x106x0.1%=2x103Pac=0.25mol/LAB首先判别该吸收过程是否在界面上发生：kDD10-5L=Lka=kaL=0.03x=0.02kDlALBD1