李绍芬版反应工程答案

1、1绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：2CHOHOt2HCHO2HO3222CHOH3Ot2CO4HO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）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。组分摩尔分率yi0摩尔数n（mol）i0CHOH32/（2+4+1.3）=0.274027.40空气4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81总计1.000100.0解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：S，Y，0.629，0.9611，9

2、6.11%X0.720（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设甲醇的转化率为X,甲醛的收率为Y,根据（1.3）和（L5）式可AP得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n、n和n分别为：APcn=n（1-X）=7.672molAA0An=nY=18.96molPA0Pn=n（X-Y）=0.7672mol结合上述反应的化学计量式，水（n）、氧气（n）和氮气（n）的摩WON尔数分别为：n=n+n+2n=38.30molWW0PCn=n-1/2n-3/2n=0.8788molOO0PCn=n=43.28m

3、ol所以，反应器出口气体组成为：组分摩尔数（mol）摩尔分率CHOH37.6726.983HCH018.9617.26HO238.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.391.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：CO2HoCHOH232CO4Ho(CH)OHO2322CO3HoCHHO2424CO8HoCHOH3HO2492COHOoCOH由于化学平衡的限制，反应过程2中一氧化2碳不可2能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及

4、一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图冷凝分离合成原料气Akmol/hBkg/h原料气Akmol/h循环压缩100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N2.9210.292粗甲醇的组成为CHOH89.15%,（CH）O3.55%,CHOH1.10%,HO3323926.20%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对lkg粗甲醇而言,其溶解量为CO

5、9.82g,CO9.38g,H1.76g,CH2.14g,N5.38g。若循2242环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：（1）（1）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；（2）（2）甲醇的单程收率和全程收率。解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h,则根据已知条件，计算进料原料气组成以质量分率表示如下：组分摩尔质量y(mol%)i0F(kmol/h)i0质量分率x%i0CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844总计100100100其中x二yM

6、/工yM。进料的平均摩尔质量M二工yM=10.42kg/kmol。经冷凝分离后的气体组成（亦即放空气体的组成）如下：10001000组分摩尔质量组分摩尔质量摩尔分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29总计100M二工yM=9.554又设放空气体流量为Akmol/h,粗甲醇的流量为Bkg/h。对整个系统的N作衡算得：25.38B/28X1000+0.1029A=2.92(A)对整个系统就所有物料作衡算得：100X10.42=B+9.554A(B)联立(A)、(B)两个方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反应后产物中C

7、O摩尔流量为F=0.1549A+9.38B/(28X1000)CO将求得的A、B值代入得F=4.431kmol/hCO故CO的全程转化率为X=FCO*_FCO=彳曙4435=8348%coF26.82CO,0由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO摩尔流量为F=100X0.2682+7.2X100X0.1549=138.4kmol/h所以cO的单程转化率为X=co=2682。4435=1618%CO1384Co,0产物粗甲醇所溶解的CO、CO、H、CH和N总量D为2242(9.82,9.38,1.76,2.14,538)BD=0.02848Bkmol/h粗甲醇中甲醇的量为(B-D)

8、X/M=(785.2-0.02848B)X0.8915/32=21.25kmol/h甲m所以，甲醇的全程收率为=21.25/26.82=79.24%总甲醇的单程收率为=21.25/138.4=15.36%单2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lg/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1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(h)C(mol/L)A0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03试求反应时间为3

9、.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Ct的关系A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，一0?6,_o.i25mol/lh6.1由(2.6)式可知反应物的水解速率为-dCArA，0.125mol/1.hAdt2.2在一管式反应器中常压300C等温下进行甲烷化反应：CO+3HCH+HO242催化剂体积为10ml，原料气中CO的含量为3%，其余为N，匕气体，改变进口原料气流量Q进行实验，测得出口CO的转化率为：Q(ml/min)083.367.6Q(ml/min)083.367.650.038.529.422.2X(%)20304050

10、6070试求当解：是一个流动反应器，其反应速率式可用(2.7)式来表示dFr=乩adVRF=F(1X)=QC(1X)aa0a0a0adF=QCdX故反应速率可表示示为：rQCdXCdXa-Q0aodVA-aod(V/q)RR0用XV/Q作图，过V/Q=0.20min的点作切线，即得该条件下的AR0R0dX/d(V/Q)值a。V/QminR00.120.1480.200.260.340.45X%A20.030.040.050.060.070.0AR0111,“65004=询故CO的转化速率为=仏=01013X03=6.38X10-4mol/IA0Rt8314X10-3X573dXr=C宀=6.3

11、8x10-4x1.79=1.14x10-3mol/1.minaaod(V/Q)R02.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：r=ky0.85yo.4kmol/kghwCOCO2式中y和y为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，O.IMPa压力COCO2及700K时反应速率常数k等于0.0535kmol/kg.h。如催化剂的比表W面积为30m2/g，堆密度为1.13g/cm3,试计算：(1)以反应体积为基准的速率常数k。V(2)以反应相界面积为基准的速率常数k。(3)以分压表示反应物系组成时的速率常数k。(4)以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数k。C解：利用(2.10)式

12、及(2.28)式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成m2/m3。10001000氐，k，1.13x103x0.0535，6046kmol/m3.hvbwk，匕k，巳k，1.78x10一6kmol/m2.hgawx30 x103wvb(3)k，(3)k，(P)nk，(pPw八丄_)04501013丿x0.0535，01508kmolkgh(MPa)0.451000100010001000k，(RT)nk，(831x10；3x700)0.45x0.0535，0.333(,m3,)045(呼。)cPw01kmolkgh2.4在等温下进行液相反应A+B-C+D,在该条件下的反应速率方程为：r

13、，0.8C1.5C0.5mol/1min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1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得r，0.8C1.5C0.5,0.8C2，08C2(1-X)2AABAA0A由(2.6)式可知dCr，”a，adt代入速率方程式dC(1dCr，”a，adt代入速率方程式a0aI,Cadta0dtAVC学，08C2(1-X)2a0dta0a化简整理得，08Cdta，08Cdta0(1-f)a积分得a08Ct，aa01-Xa解得X=82.76%。A2.5氨合成塔入口的气体

14、组成为3.5%NH,20.8%N,62.6%H,7.08%Ar及5.89CH。该塔是在30MPa压力TOC o 1-5 h z3224下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490C，反应气体中氨含量为10%(mol)，试计算该处的反应速率。在Fe催化剂上氨合成反应速率式为：p1.5pr，kph2一knhkmol/m3h1n22p23p1.52NH3H逆反应的活化能E，17.58x104J/mol。450C时k广2277加（血）0.5加3.h,且叫巴=Kp,490。时，Kp可按下式计算：logK2047.8/T249431ogT1.256x10，4T18564x10，T23206注：斤3为标准立方

15、米。解：题中给出450C时的k值，而反应是在490C下，故首先要2求出490C时的k值。2利用（2.27）试，求出频率因子A:k=Aexp（RE）A=kexp(,E)=2277/e17.58x104/8.314x723=1145X10162RTk=Aexp(x1016e-17.58x104/8.314x723=1.055x104m3(MPa)0.5/m3.h490C的Kp值由题给公式计算出log%=2047.8/763-2.4943log763-1.256x10，4x763+18564x10-7x7632+3206=_1254K=5.592x10，2求k值：1kK2=_1k=K2k*pk1p2

16、2k=(5592x10-2)2x1.055x104=33m3(MPa)-1.5/m3.h求各组1分的分压值：N3HoNH2223iiii10001000yA0yR-pXA0AA1y,XA0AApi0yi0yXA0AA1y,XA0AA=20.87%,=A0.10=p=yPii(1+3)22yryXR0A0Aa1y,XA0AA0.035丄*0.2087*X1A210.2087*(-2)*XA45.914X=6.5AX=0.1416AyA=2X0_A1y,XA0AA0.2087(1-0.1416)10.2087*(-2)*0.1416=0.19043vy-_yXH01A0Ay=H1y,XA0AA0.

17、626-3*0.2087*0.1416=0.571610.2087*(-2)*0.1416p二yP各组分的分率及分压值为反应速率为：NH310%p=3MPaNH3N219.06%p=5.718MPaN2H257.18%p=17.15MPaH2Ar+CH413.79%p=4.137MPaAr+CH410001000317.151.5r二kph2-k卩nh333.0,5.718，17*151-5-1.055,104,317.151.51N22p23P1.532NH3H24.023，103m3/m3cath(1796kmol/m3cat.h)2.6下面是两个反应的T-X图，图中AB是平衡曲线，NP是

18、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)(1)是可逆反应还是不可逆反应?(1)(1)是可逆反应还是不可逆反应?10001000图图2.2可逆反应吸热反应M点速率最大，A点速H点速率最大，B点速C点速率大于R点速根据等速线的走向来(2)是放热反应还是吸热反应？(3)在等温线上，A,D,0,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,0,F及B点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？(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可逆反应放热反应M点速率最大，A点速率最小率最小0点速率最大，B

19、点速率最小率最小R点速率大于C点速率率M点速率最大判断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9629，104J/mol，如果不考虑逆反应，试问反应温度是550C时的速率比反应温度是400C时的速率大多少倍？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。rkAexp（rT）知S叮=e蠶盅-盂）=S叮=e蠶盅-盂）=23（倍）r400k400AeXP（jRT）2.8常压下，在钒催化剂上进行SO?氧化反应,原料气组成为7%0及82%N。试计算转

20、化率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂2上氧化的正反应活化能为9211，104J/mol，化学计量数等于2,反应式为：SO+1OSOTOC o 1-5 h z2223其平衡常数与温度的关系为：logKp=49055/Te-46455该反应的热效应-Hr=9629，104J/mol。解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压以100mol为基准xSO2O2SO3N2工07.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.4115.6X0.5=8.25.6082.097.2p=Py=0.1013,14/972=1.46,10-3(MPa)SO2SO2TOC o 1-5 h zp

21、=Py=0.1013,&2/972=8.55,10-3(MPa)O2O2p=Py=0.1013,5.6/972=5.84,10-3(MPa) HYPERLINK l bookmark110SO3SO3p=Py=0.1013,82/972=8.55,10-2(MPa)NN求与上述组成对应的平衡常数K值：PK=so】=584X10-3=43.26Ppsop“1.46,10-38.55,10-3)05SO2o2丿求平衡温度TelogK=49055/Te-46455Te=Te=4905.56.282=7809K10001000（4）利用（2.31）式求逆反应活化能E值1000100010001000d

22、t积分之to2dt积分之to2Ctt叫一吨-X)Aln(1-XA)+10.25CA011025cA0EE-也9.211,104-一9629x141.403,105J/molr利用(2.31)式求最佳温度TOP780.98314,780.9TT780.9739004K780.98314,780.9ORTlnE1,8314,78095103E-EE（14.03-9.211）x1049.2112.9在一恒容反应器中进行下列液相反应：Abtrr1.6Ckmol/m3-hRA2Atd82C2kmol/m3-式中r,r分别表示产物R及D的生成速率。反应用的原料为A与BRD的混合物，其中A的浓度为2kmol

23、/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Rr+2r1.6C+164C21.6C（1+10.25C）利用R2.6）式AAAAC16C（1+10.25C）At0.6463/1.60.4038h2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应：CH（CH）+HtCH（CH）+CH6333264324CH（CH）+HtCHCH+CH反应器进口原料气组成为366.67%H,336.33%三3甲基苯。在0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化率为80%时，其混合气体的氢含量为20%，试求：（1）（1）此时反应器出口的气体组成。（2）（2）

24、若这两个反应的动力学方程分别为：r6300CC0.5kmol/m3-hAABr3400CC0.5kmol/m3-h则出口处二甲基苯的生成速率是多少？解：以100mol为计算基准，设X为三甲基苯的转化率，Y为生成的甲苯摩尔数。（1）（1）用物料衡算求出口气体组成：组分名称X=0时X=0.8时组分名称X=0时X=0.8时三甲基苯(A)33.3333.33(1-X)氢(B)66.6766.67-33.33X-Y二甲基苯(C)033.33X-Y甲烷(D)033.33X+Y甲基苯(E)0Y工100.0100.0解得Y=66.67-33.33X0.8-20=20.01kmol(甲苯量)生成的二甲基苯量：3

25、3.33X0.8-20.01=6.654kmol生成的甲烷量：33.33X0.8+20.01=46.67kmol剩余的三甲基苯量：33.33X(1-0.8)=6.666kmol氢气含量为：20kmol故出口尾气组成为：三甲基苯6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%甲烷46.67%，甲基苯20.01%。(2)(2)由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：C，pg，xO.3333,7.669x10-3kmol/m3aoR8314x10-3x523C，C(10.8)，7.669x10-3(10.8)，1534x10-3kmol/m3AA0C=0.20 x1.534x10-3,4.6x10-3k

26、mol/m3B0.06666C，006654x1.534x10-3=1.532x10-3kmol/m3c0.06666C，,0.4667x1.534x10-3=1.074x10-3kmol/m3d0.06666C=0.2001x1.534x10-3=4603x10-3kmol/m3e0.06666R=r-r=6300CC0.5-3400CC0.5CAEABCB=6300 x1.534x10-3x(46x10-3)0.53400 x1.532x10-3x(46x10-3)0.5=0.6555-0.3533=0.3022kmol/m3.h2.11在210C等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应:CHN

27、ONO+1CHCHO+1CHOH25223225该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为k二139l014exP(-1897104/T)(s-i),若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa,采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？解：(1)恒容过程，其反应式可表示为：AB+1C+1D2反应速率式表示为：r二kC=kC(1X)设为理想气体，反应物A的初始浓度为：CA0=2.52310-2molCA0=2.52310-2mol/I831410-3483r=kC(1X)=1.391

28、014exp(18973/T)C(1X)AA0AA0A=1.391014exp(18973/483)252310-2(100.8)=6.11210-6mol/1s亚硝酸乙脂的分解速率为：R二r二6.11210，6mol/1.s乙醇的生成A速率为：R-1r-3.05610，6mol/1.sD2A(2)恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由(2.49)式可求得总摩尔数的变化。-Yu/u-1+05寸05一1-1AtA1由于反应物是纯A,故有：y=1。A0由(2.52)式可求得组分的瞬间浓度：-2.80310-2mol/1_C(1-X)_-2.80310-2mol/1-1+0zX=1+1

29、108r-kC-1.391014exp(18973/483)280310-2-339510-6mol/1.s乙醇的生成速率为：R-1r-169810-6mol/1.sD2A2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750C等温下的转化反应为：CH+2HOCO+4H原料气中甲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CH转化率为80%时，CO和H的生成速率是多422少？（2）（2）反应在恒压下进行，其他条件如（1）,CO的生成速2率又是多少？解：（1）由题意可将反应速率表示为：A

30、2BtC4Dr，kCCCAB对于恒容过程，则有CABC，C(1X)AA0AC，C2CXBB0A0AP0.10130.2C，A0，238210-3mol/1aoRT831410-31023C，4C，42.38210-3，9.52810-3mol/IB0A0当X=0.8时A0C，C(1X)，2.38210-30.2，4.76410-4mol/1AA0AC，C2CX，9.52810-322.38210-308，5.71710-3mol/1BB0A0AR，r，kCC，24.76410-45.71710-3，5.44710-6mol/1.sCCABR，4r，45.44710-6，2.17910-5mol

31、/1.sDC(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二Yu/u二1+4-1-2,2TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1364AtA1反应物A的原始分率： HYPERLINK l bookmark972y，0.2A01+42.52)式可求得转化率为80%时的浓度：C(1-X)2.38210-3(1-0.8)，A0A，3.60910-4mol/1+yX1+20.20.8AA0AC-2CX9.52810-3-22.38210-30.8，丿oAoA，4.33110-5mol/11+5yX1+20.20.8r，kCC，r，kCC，236

32、0910-44.33110-5，312610-6mol/1.sARCAB，r，3.12610-6mol/1.sC2.13在473K等温及常压下进行气相反应:r，1.2Cmol/1-minRA（2）A2Sr=05Cmol/1，minSA（3）aTr=2.1Cmol/1，min式中C为反应物A的浓度（mol/ll,原料中A和惰性气体各为一半A（体积比），试求当A的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：方法（1），先求出总摩尔变化数5A。首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：1r=r=04CAR3RAr=1r=025CAS2SAr=r=2.1C总反应速率为：AR=rrr=2.75C以一摩

33、尔反应物AA为基准，总摩尔变化数为:04025215=32-1=0382a2.752.752.75初始浓度为：Pj0.10130.5C=_0A0=1.28810-2mol/1a0RT831410-3473则有C(1-X)1.28810-20.151_in3小二0a=1.662510-3mol/115jX1+0.50.380.85AA0A=275C=2.751.662510-3=457210-3mol/1.minACA15AR方法(2)，可将CCA15AR5ASTOC o 1-5 h z5=0克040.25乙5X=20.8510.85=03245AjAj2.752.75=16623x10-3=1

34、6623x10-3mol/I10.3245x0.5R=275C=2.75x1.6623x10-3=4.571x10-3mol/1.minAA10001000方法（3）,利用物料衡算可分别求出反应物A生成R及S的瞬间选择性S,S,因而可求出产物R及S的收率y,y,求得A转化率为85%时RSRSy(1yyy)A0rst=0.064531，2yy,yyA0RA0SC=2Cy=1.288x10亠x0.06453x2=1.6623x10-3mol/IAAOAR=2.75C=2.75x1.6623x10-3=4.571x10-3molII.min其中：SRSS0.4CA(04+0.25+2.1)CA0.2

35、5CA(04+0.25+2.1)CA0.4x0.85=0.1236275042.750.252.750.25=l.x0.85=0.07727s2752.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应：CHCH（CH）CH,CH以A,B及R分别表示异5丙苯，苯及丙烯6反应步骤如下:（1）A+A（2）AB+R(3)BB+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，其它两步达到平衡，描述如下：A+AAcB+RBB,k=作幕e=kpeAeAAAVAr=ke一kpeAARBk=pve=kpeBeBBBVB以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程:由于r

36、=ke-kpeAcAcRB,e,e=1ABV将e人力B代入上式得:10001000Kp+Kp+，1AAVBBVV整理得：V1+Kp+V1+Kp+KpAABB将A，B，V代入速率方程中kKpAArA1+Kp+Kp其中AABk，kKa饥kpKpRBB1+Kp+KpB_BAABBk(p一pp)/KABRP1+Kp+KpAABB，kK/kKAB2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应：2CH+O2CHO2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应：2CH+O2CHO24化作2（AEB）2（R）其反应步骤可表示如下：（1）（2）（3）（4）A+oAB+2co2Bo2Ac+BoRo+RooR+o若是第三步是速率控制步

37、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：A+ooAc，KpAAAVB+2oo2Bo，Kp2B7BBV(4)RooR+o，Kp整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示:r，k一k根据总覆盖率为1的原则，则有：+，1ABRV或KKp+Kp+，1AABBVRRVV整理得：，LVKp+Kp+KpANBBRR将A，BQR，V代入反应速率方程，得:Kp2kpK2=AVBBVRRVk(Pa西一PrIK(1+Kp+Kp+Kpk(Pa西一PrIK(1+Kp+Kp+Kp)2AABBRRr=kKpAA其中k，kK2.16茨A址BR2

38、.16设有反应AB+D，其反应步骤表示如下:A+oAAcB+D(3)若(1)速率控制步骤，试推导其动力学方程。解：先写出各步的速率式：A+oAAB+DBoB+由于(1)是速率控制步骤，第等于(1)的吸附速率，故有一kAAVdAA，k一kAAVdAA，kSA整理得Akp=aAAVAk+k根据定态近似原则SAdBBdB，k-SAdBBr，kp-k1aAAVdAArr，kp-k1aAAVdAAr，k2SAr，k一kp2)步是不可逆反应，其反应速率应+kp，0aAAV，k+kp，(*$qaPa+kSAaAAVk+kSaA，(*“aPa+kp)/kBk+kaBBVdBSaA因为+=1ABV将人，B代入上

39、式，化简后得：，Vkp1+aA_+Kpk+kBBSdA最后将A，V代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式。kdBBaBpB)VkpkpkaAAaAAdAk+kkkpr，SdA，SaAA_1kpk+k+kp+(k+k)Kp1+aA+KpsdAaAASdABBk+kBB2.17氧化碳碳变换反应：CO(A)+HO(B)tCO(C)+H(D)222在较低温度下，其动力学方程可表示为：kppr，b1+Kp+KpAACC试拟定该反应的合适的反应步骤。解：根据题意，假设反应步骤如下：(1)A+AA+BtC+D(3)CC+r，k0r，k0p其余的两步可认为达到平衡,0，Kp0AAAV0，Kp0CCCV由于0

40、A+0B+0广1有：0,V1+Kp+KpAACC将0A，0V代入速率式，得：kKppSAAB，_则有：kppABr，1+Kp+Kp1+Kp+KpAACCAACC式中k，kSKA。故上述假定与题意符合。但上述假定的反应步骤不是唯一的。2.18利用习题2.1的数据，试用积分法和微分法求其动力学方程。解：先用积分法求其动力学方程。设为一级不可逆反应，其速率表达式为：，kCAdC，kCAr，AAdt积分得：t(h)0123456789ln(A00.440.831.251.602.102.452.863.433.84213987283作图得一直线，其斜率为0.425h-i,故假设一级反应是合理的，其动力

41、学方程可表示为：In*Ao）用CAt作图。Cktln(_)CAr=dA0.425Cmol/I.Cktln(_)CAAdtA用微分法求解动力学方程首先用Ct曲线，在曲线上取时间为0,1,2,9h所对应点的A切线，为了准确可采用镜面法，求得各切线的斜率即为对应的dC/dtA之值，然后再以dC/dtC作图，所求的dC/dt值如下表所示：AAAt(h)0123456789C(mol/l)A1.0.0.60.40.20.10.0.00.00.040901087128453dC/dt(molA0.0.0.20.10.10.00.0.00.00.0/l.h)704595914795063311vZ25azr

42、x15设为一级不可逆反应，用dC/dtC作图得一直线，其斜率为0.5h-i，AA其动力学方程可表示为：ra0.5Cmol/1.hAdtA或将速率方程直线化，即两边取对数，得：ln（一a）ink,nInCdtA可简化为y=b+ax形式，利用多元回归，可求得反应级数n=1.0041,反应速率常数值为k=0.4996。还可用一数学公式来拟合Ct曲线，然后再将该数学公式对t求导,A求得dC/dt之值，此法会比作图法来的准确。A2.19在Ni催化剂上进行甲烷化反应：CO3HoCHHO由实验测得200C时甲烷的生成速率R4及Co和H的分压p,p的CH42COH2关系如下：CH42CoH2p(MPa)CO0

43、.100.180.4080.721.05p(MPa)H20.10130.10130.10130.10130.1013RCH4(mo)g，mm7.3310-31.3210-23.0010-25.2810-27.7010-2若该反应的动力学方程可用幕函数表示，试用最小二乘法求一氧化碳的反应级数及正反应速率常数。解：由题意可写出速率方程式：r=kpapCHCOH但由于氢的分压保持为0.1013MPa的恒定值，反应速率式可简化为:r=kpaCH=4CO式中k=kpH2。将速率式直线化：lnrCH=lnkalnpCO或y=bax4式中y=lnrcH:b=lnk,x=+lnpCo,由残差平方和最小而导出最

44、小二4mxy2-mxy2-mx2xa=序号yxX2xy1-4.916-2.3035.30211.322-4.328-1.7152.9417.4213-3.507-0.8970.8043.1444-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0494-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0490.002-0.125工-18.26-5.2939.15722.73将累加值代入a,b系数式中，得:a(18.26)x(5.293)5x22.73(，5.293)2，5x9.1570.9571b5g-O.9577(，5-293)12.639k7144x10-2Rr

45、7.144x10-2pkmol/g.minCHCH4CO42.20在铂催化剂上，乙烯深度氧化的动力学方程可表示为：kpprar(1+Kp)2rr式中p,p分别表示乙烯及氧的分压。在473K等温下的实验数据如下:AB号pX103MPaApX103MPaBrX104mol/g.min18.9903.2300.672214.223.0001.07238.8604.0800.59848.3202.0300.71354.3700.8900.61067.7501.7400.83477.7501.8200.82886.1701.7300.65696.1301.7300.694106.9801.5600.79

46、1112.8701.0600.418112.8701.0600.418试求该温度下的反应速率常数k和吸附平衡常数K。解：首先将动力学方程式直线化Bkppr二kppr二ab(1,Kp)2或y二b+ax。其中於pB序号yxX103X2X105xyX103rX1046,%10.6573.3201.0432.1230.6780.9020.6313.0000.9001.8921.1265.030.7784.0801.6653.1720.5685.040.4872.0200.4120.9880.82916.350.2530.8900.0790.2250.5824.660.4021.7400.3030.70

47、00.8330.170.4131.8200.3310.7510.8161.480.4031.7300.2990.6980.6651.490.3911.7300.2990.6760.6614.8100.3711.5600.2430.5790.7870.5110.2701.0600.1120.2860.36911.7工5.05622.875.66812.094.7a169.12.287x10-2x5.056-11x1.209x10-22.2872x10,4-11x5.688x10,5a169.1b5.056-169.1x2.287x10,210.10811Lk185.73b2Ka宾1691x857

48、31.566x10385.73pprab1+1.566x103p卫B平均偏差47%,结果是令人满意的。3釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应CHCOOCH+NaOHCHCOONa+CHOH该反应对3乙酸乙2酯5及氢氧化钠均为一3级。反应开2始5时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l,反应速率常数等于5.6l/mol.min。要求最终转化率达到95%。试问：1）（1）间？2）（2）1）（1）间？2）（2）多少？当反应器的反应体积为若反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时加3,所需的反应时间又是XdXcXJXAfACJXAfA00(R)A00A10.95-x169

49、.6min(2.83h)解:(1)5.6x0.021-0.95tCdXA1XAxk2C2(1-X)2kC1-XA0A0AA0A（2）因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关,所以反应时间仍为2.83h。3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：CHClCHOH+NaHCOCHOHCHOH+NaCl+CO以生产乙二醇,2产量为20kg/h,使用15%（重量）的NaHCO水水溶液3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%

50、。（1）（1）若辅助时间为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=0.3226kmol/h0.326680.5=9111kg/h每小时需氯乙醇：09530%0326684=190.2kg/h每小时需碳酸氢钠：0.9515%c91.11,190.2小*。Q=275.81/h原料体积流量：01.02氯乙醇初始浓度反应时间：0.3266氯乙醇初始浓度反应时间：0.32661000C=一00.95275.8=1.231mol/1t=C0反应体积

51、：X0Vt=C0反应体积：X0VrdX1XdX1A_=A=一kCCkC0(1-X)252x1.231B0二Q(t，t)二275.8(2968,0.5)二9565100951-0.95=2968h2)(2)反应器的实际体积：956.5075=1275110001000100010003.3丙酸钠与盐酸的反应：时间，min010203050NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5CHCOONa,HClCHCOOH,NaCl为二级可逆反应2（5对丙酸钠和盐酸均为2一5级），在实验室中用间歇反应器于50C等温下进行该反应的实验。反应开始时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应进行

52、的程度，在不同的反应时间下取出10ml反应液用0.515N的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90%。试计算反应器的反应体积。假定（1）原料装入以及加热至反应温度（50C）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。10001000解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度(也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1)

53、为：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark348CC0.515XVmol/lAB10NaOH于是可求出A的平衡转化率：XCC52.510508XA0仏08AeC52.5A0XXX90%0.8X90%0.72AAex52.5x(10.72)0.0515x147x52.5x(10.72)0.0515x147mol/lAA0A10现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当C=0.0515X14.7mol/1时，所对应的反应时间为48min。A由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min。丙酸的产量为：500kg/h=11

54、2.6mo1/min。所需丙酸钠的量为：112.6/0.72=156.4mo1/min。原料处理量为.QF/C1564/(0.0515+525)=57841/min反应器体积：VQ(t+)5784X(18+20+10)45121实际反应体积.4512/0.85640l3.4在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：A+BR11000r1.1x1014exp(，)CCkmol/m3.h其反应速率方程为：ATAB式中组分A及B的浓度C及C以kmol/m为单位，温度T的单位为K。该反应的热效应等于-4000kj/kmo1。反应开始时溶液不含R,组分A和B的浓度均等于0.04kmo1/m3，反应混合物

55、的平均热容按4.102kJ/m3.K计算。反应开始时反应混合物的温度为50C。(1)试计算A的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度。(2)如果要求全部反应物都转化为产物R，是否可能？为什么？解：(1)10001000由数值积分得出)恒容时:r由数值积分得出)恒容时:rkC,rkC,r1ADrrkCkCAD1A2CC(H)0.04,(4000)TT+ao(r丿(XX)=323+X323+39.01XTOC o 1-5 h z0CAA04102AAF0 HYPERLINK l bookmark802XdXXdX HYPERLINK l bookmark360tCJXAfCJXAfA-A0

56、0(R)A00kCCAABCJ91.32hA01.1x1014exp(11000)C2(1X)2323+3901XA。aAT323+39.01,0.85356.2K若A全部转化为R,即X=1.0,则由上面的积分式知，t-x,这显A然是不可能的。3.5在间歇反应器中进行液相反应：A+BtCrkCCA1ABC+BtDrkCCA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t时，C=0.055kmol/m3,C=0.038kmol/m3,而反应时间为t1AC2时，C=0.01kmol/m3，C=0.042kmol/m3，试求：AC10001000dCkkC1AdtA)kC

57、kCdt(1)k/k;21A(2)产物C的最大浓度；(3)对应(1)k/k;21(2)产物C的最大浓度；(3)对应C的最大浓度时A的转化率。解：(1)因为B过量，所以：(B)(B)式除以(A)式得:TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark300dCkC HYPERLINK l bookmark384C1_CdCkC HYPERLINK l bookmark86A1A解此微分方程得：10001000CCC二AoCTk1_2kL,CAC丿A0c1A_CA01将t,C,C及t,C,C数据代入(C)式化简得：1AC2AC0.42x0.55x一0.38x0.1x=0.42x0

58、.55一0.38x0.1解之得：kkx=l=0.525=二kk(2)先求出最大转化率:C)1000100010001000k2_1X=1_(Z)k1=0.7425A,maxk(1七兀(1七兀-(1-七)=0.4905C,maxk1I.Lk产物C的最大浓度：C二CY二0.1x0.4905二00491kmol/m3C,maxA0C,max3.6在等温间歇反应器中进行液相反应A“k1”A“k3”A初始的反应物料中不含A和A，A的浓度为加ol/l,在反应温度下231k=4.0min-1,k=3.6min-1,k=1.5min-1。试求：1231）（1）反应时间为1.0min时，反应物系的组成。（2）（

59、2）反应时间无限延长时,反应物系的组成。（3）（3）将上述反应改为A1“A2“”A3反应时间无限延长时,反应物系的组成。解：根据题中给的两种反应情况,可分别列出微分方程,然后进行求解。但仔细分析这两种情况,其实质是下述反应的特例：A“kA“k1”1A“k2”A(A)23当k二02时,（A)(B)当k=01时,（A)式变为A1A2”A3式变为A1”A2A3(C)(D)(A)式当k10k20时，(A)式变为A1TA2t(D)(A)式其中式(D)即为书讲的一级不可逆连串反应。可见只要得到的解，则可容易化简得到(B),(C)及(。)式的解。对于(A)式，可列出如下微分方程组：竺！kCkCdtiiii(

60、1)(2)(3)dC2kC+kCkCkC(2)(3)TOC o 1-5 h zdt11231222dC3kCkCdt2223由题意知初始条件为：C(0)C,C(0)C(0)011023(4)联立求解此微分方程组可得：(5)CCJ110(5)CCJ110kkkk21+11_(+k)et(+k)et22(+k)1(+kCCC210(+k)et21000100010001000(6)kkkkeetCCJ310_CCJ310_I(7)式中，,由如下式确定：kk+kk+kk121221(8)+二(k+k+k+k)1122(9)现在可用上述结果对本题进行计算：1)k二40min，i,k=3.6min，i,