大三下反应工程课后答案

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1、1 1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：OHCOOOHCHOHHCHOOOHCH22232234232222+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：%11.969611.072.0692.0=XYS（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为 100时，则反应器的进料组成为：mol组分摩尔分率摩尔数0iy0inCH3OH2/(2+4+1.3)=0.274027.4

2、0空气4/(2+4+1.3)=0.547954.79O211.51N243.28水1.3/(2+4+1.3)=0.178117.81总计1.000100.0设甲醇的转化率为 XA，甲醛的收率为，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲PY醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和分别为:AnPnCnmolYXnnmolYnnmolXnnPAACPAPAAA7672.0)(96.18672.7)1(000=结合上述反应的化学计量式水（）、氧气（）和氮气（）的摩尔数分别为：WnOnNnmolnnmolnnnnmolnnnnNNCPOOCPWW28.438788.02/32/130.382000=+=所以，

3、反应器出口气体组成为：组分CH3OHHCHOH2OCO2O2N2课后答案网 w w w.k h d a w.c o m摩尔数7.67218.9638.30.76720.878843.28摩尔分率/6.98317.2634.870.69830.799939.391 2工业上采扩铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：OHOCHHCOOHCHHCO223232)(422+22229422423843HCOOHCOOHOHHCHCOOHCHHCO+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，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，可凝组分变为液体即

4、为粗甲醇。不凝组分如氢气及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。合成 冷 凝 分 离原料气B kg/h 粗甲醇Akmol/h100kmol/h放空气体 循 环 压 缩 原料气和冷凝分离后的气体的摩尔组成分率如下“组分COH2CO2CH4N2原料气26.8268.251.460.552.92冷凝分离后的气体15.4969.780.823.6210.29粗甲醇的组成为 CH3OH89.15，（CH3）2O3.55，C4H9OH1.10H2O6.20，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

5、 1 kg粗甲醇而言，其溶解量为：CO29.82g，CO 9.38g，H21.76g，CH42.14g，N25.38g。若循环气体与原料气之比为 7.2（摩尔比），试计算：（1）一氧化碳的单程转化率和全程转化率；课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（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 100，则根据已知条件，计算进料原料组成以质mol量分率表示如下：组成摩尔质量摩尔分率/质量分率/%0iy0iF1kmolh0iXCO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.10CO2441.461.466.164CH4160.550.550

6、.8443N2282.922.927.844100.00100.00100.00上表中。进料的平均摩尔质量。iiiiiMyMyx=/kmolkgMyMiim/42.10=经冷凝分离后的气体组成，亦即放空气体的组成如下：组分CO2H2CO4CH2N摩尔质量282441628iM摩尔分率15.4969.780.823.6210.29100.0iy其中冷凝分离后气体平均分子量为：555.9=iimMyM又设放空气体流量为；粗甲醇的流量为。对整个系统的作衡算得：hkmolA/hkmolB/2N)(92.21029.0100028/38.5AAB=+对整个系统就所有物料进行衡算得：(B)AB554.94

7、2.10100+=联立（A）和（B）两个方程，解之得：hkgBhkmolA/2.785/91.26=反应后产物摩尔流量为：CO100028/38.91549.0+=BAFCO将求得的 A、B 值代入得：课后答案网 w w w.k h d a w.c o mhkmolFCO/431.4=故的全程转化率为：CO%48.8382.26435.482.260,0,=COCOCOCOFFFX由已知循环气体与新鲜气之摩尔比，可得反应器进口处的 CO 摩尔流量为：hkmolFCO/4.1381549.01002.72682.01000,=+=所以 CO 的单程转化率为：%18.164.138431.482.

8、260,0,=COCOCOCOFFFX产物粗甲醇所溶解的总量为：2422,NCHHCOCO和hkmolBBD/02848.01000)38.514.276.138.982.9(=+=粗甲醇中甲醇的含量为：hkmolBMxDBm/25.2132/8915.0)02848.02.785(/)(=甲醇所以，甲醇的全程收率为：%24.7982.2625.21=Y甲醇的单程收率为：%36.154.13825.21=y2 2 2 2 反应动力学基础反应动力学基础21 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

9、分子量为 88。在等温常压下不断取样分析，测得组分A 的浓度随时间变化的数据如下：试求反应时间为 3.5 h 的 A 的水解速率。解：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=3.5反应时间1.02.03.04.05.06.07.08.09.0)/(1hmolCA0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03课后答案网 w w w.k h d a w.c o mh 时该点的切线，即为水解速率。切线的斜率为)/(125.01.676.0hLmol=由(2.6)式可知反应物的水解速率为：)/(125.0hLmoldtdCAA=

10、22 在一管式反应器中常压 300 等温下进行甲烷化反应：OHCHHCO2423+催化剂何种为 10mL，原料气中 CO 的含量为 3%，其余为 N2、H2气体，改变进口原料气流Qn进行实验，测得出口 CO 的转化率为：试求当进口原料气体流量为 50mL/min 时 CO 转化速率。解解：是一个流动反应器，其反应速率式可用(2.7)式来表示RAAdVdF=)1()1(000AAAAAXCQXFF=AAAdXCQdF00=故反应速率可表示为：)/(000QVddXCdVdXCAQRAARAA=用 XAVR/Q0作图，过 VR/Q0=0.20 min 的点作切线，即得该条件下的 dXA/d(VR/

11、Q0)值 a。79.134.004.065.0=故 CO 的转化速率为10min1/mQ83.367.650.038.529.422.2%/x203040506070VR/Q0/min0.120.1480.200.260.340.45XA/%20.030.040.050.060.070.0课后答案网 w w w.k h d a w.c o mLmolRTPCAA/1038.657310134.803.01013.04300=min)/(1014.179.11038.6)/(3400=LmolQVddXCRAAA23 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：)/(4.08

12、5.02hkgkmolyykCOCOw=式中 yCO和 yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬时摩尔分率，0.1013 Mpa 压力及 700K 时反应速率常数kw等于0.0535 kmol/(kgh)，若催化剂的比表面为30 m2/g，堆密度为1.13 g/cm3，试计算：（1）以反应体积为基准的速率常数ovk（2）以反应相界面积为基准的速率常数osk（3）以分压表示反应物系组成时的反应速率常数opk（4）以摩尔浓度表示反应物系组成时的反应速率常数ock解：解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位应换算成 m2/m3。(1)/(46.600535.01013.

13、133hmkmolkkwbv=（2）)(1078.11030263hmkmolkkakwbbwvbs=（3）kghPakmolMPahkgkmolkPkwnp=45.0445.045.010991.2)(1508.00535.01013.011（4）45.045.03245.0345.032)(1048.1333.00535.01.07001031.8molhkgmkmolhkgkmolkmolmkPRTknc=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m24 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：min)/(8.05.05.1=LmolCCBAA若将A和

14、B 的初始浓度均为 3 mol/L 的原料混合进行反应，求反应 4min 时 A 的转化率。解解：由题给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 1.5 mol/L故把反应速率式进行简化，得22025.05.1)1(8.08.08.0AAABAAXCCCC=由式（2.6）可知dtdXCdtXCddtdCAAaAAA00)1(=代入速率方程式2200)1(8.0AAAAXCdtdXC=化简整理得dtCXdXAAA028.0)1(=积分得AAAXXtC18.00AAXX=18.4解得 XA=82。76%25 氨合成塔入口的气体组成为 3.5%NH3,20.8%N2,62.6%

15、H2,7.08%Ar及 5.89%CH4。该塔是在 30 Mpa 压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为 490，反应气体中氨含量为 10%(mol),试计算该处的反应速率。在 Fc 催化剂上氨合成反应速率式为：)(35.125.1212332hmkmolppkpppkHNHNHHN=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m逆反应的活化能。450时，molJE/1058.174=v)/()(1002.135.052hmPakmolk=且,490时，Kp 可按下式计算：221/pKkk=206.3108564.110256.1log4943.28.2047log274+=TTTT

16、Kp解：解：题中给出 450时的 k2的值，而反应是在 490下，故首先要求出 490时的 k2值。利用（2.27）式，求出频率因子 A：hmMPakmoleRTEAkeRTEkARTEAk=35.0576331.8/1058.171721772331.8/1058.17522)(10726.41013.5exp1013.5/1002.1exp/exp44490时的 Kp 值由题给公式计算出18274)(10592.52524.1206.3763108564.176310256.1763log4943.27638.2074log=+=paKKpp求 k1值：212kkKp=221kKkp=hm

17、MPakmolk=3.19281)(10481.14736.0)10592.5(求各级分的分压值：3222321NHHN+设 y 为反应后的总摩尔数，以 100 mol 为计算基准。组分进口含量反应后含量NH33.50.1 yN220.8720.87-0.5(0.1 y 3.5)课后答案网 w w w.k h d a w.c o m反应后的总摩尔数为：yyyy=+89.507.76.6287.20)5.31.0(23)5.31.0(211.0解得 y=94 mol各组分的分率及分压值为：反应速率为：()()/(1.1801015.17103726.41031015.1710718.510481

18、.135.16665.16695.125.1212332hcatmkmolppkpppkrHNHNHHN=2.6 下面是两个反应的 TX 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。根据下面两个图回答：（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？H262.662.6-1.5(0.1 y 3.5)Ar7.077.07CH45.895.89NH310%MPaPNH33=N219.

19、06%MPaPN718.52=H257.18%MPaPH15.172=Ar+CH413.79%MPaPCHAr137.44=+课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（5）在 C，R 两个点中，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？解解:在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用106 催化剂进行试验，测得正反应活化能为，如果不考虑逆反应，试问反应温度是 550时的速molJ/10629.94率比反应温度是 400时的反应速率大多少倍？解：解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其他条件都相同，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

20、述反应速率之比。)(23)exp()exp()8231673 1(314.8290.96)11(400550400550400550550400倍=eeRTEARTEAkkrrTTRE2.8 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，化学计量数等于 1/2，反应式为：molJ/10221.9432221SOOSO+其平衡常数与温度的关系为：1455.45.4905log=TKp图 2.1图 2.2(1)可逆反应可逆反应(2)放热

21、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 点速率大于点速率。(6)点速率最大。根据等速线的走向来判断，点的速率大小课后答案网 w w w.k h d a w.c o m该反应的热效应。molJHr/10629.94=解：解：（1）求出转化率为 80%时各组分的分压：32221SOOSO+以 100 mol 为基准进行计算)(1055.92.97/821013.0)(1084.52.97/6.51013.0)(1055.92.97/2.81013.0)

22、(1046.12.97/4.11013.0233322332222MPapypMPapypMPapypMPapypNNsOsoOoSOso=（2）求与上述组成对应的平衡常数 Kp值：26.43)1044.8(1044.11076.55.03335.0223=OSOSOpPPPK（3）求平衡温度 TeKTTKeep5.848784.55.49051455.45.4905log=(4)利用（2.31）式求逆反应活化能值Es54410847.25.010211.910211.9=rrHEErs（5）利用（2.37）式求最佳温度 TOPKEEEERTTTeeOP8.814211.947.28ln10)

23、211.947.28(5.848314.815.848ln14=+=+=rsrs29 在一恒容反应器中进行下例液相反应：XSO2O2SO3N207.011.0082.0100.00.807(1-0.80)5.06.5115.6082.097.2课后答案网 w w w.k h d a w.c o mRBA+ARCr6.1=)/(3hmkmolDA222.8ADCr=)/(3hmkmol式中分别表示产物 R 及 D 的生成速率。反应用的原料为 A 与 B 的混合物，其中RrDrA 的浓度为 2，试计算 A 的转化率达到 95%时的需的反应时间。3/mkmol解：反应物 A 的消耗速率应为两反应速率

24、之和，即)25.101(6.14.166.122AAAADRACCCCrrR+=+=利用（2.6）式)25.101(6.1AAACCdtdC+=积分之=+=AABCCAAAAXdCCCt)1ln()125.1025.101(6.125.1011)25.1011(ln00AAACCX+ht4038.06.1/6463.0=210 在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应：4356223464234623336)()()(CHCHHCHCHHCCHCHHCHCHHC+反应器进口原料气组成为 66.67%H2，33.33%三甲基苯。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

25、80%时，其混合气体的氢含量为 20%，试求：（1）此时反应器出口的气体组成。（2）若这两个反应的动力学方程分别：5.06300BAACCr=)/(3hmkmol5.03400BCECCr=)/(3hmkmol则出口处二甲基苯的生成速率是多少？解：解：以 100kmol 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。课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（1）用物料衡算求出口气体组成：由题给条件可知，混合气中氢的含量为 20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20解得 Y=66.67-33.330.8-20=20.01 kmol(甲苯量)，生成的二甲苯量

26、：33.3320.01=6.654kmol。生成的甲烷量：33.330.8+20.01=46.67 kmol。剩余的三甲苯量：33.33(1-0.8)=6.666kmol。氢气含量为：20 kmol。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%，甲苯 20.01%。（2）由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：330010669.752310314.83333.01.0=RTpCAA3/mkmol33010534.1)8.01(10669.7)8.01(=AACC3/mkmol33106.410534.106666.020.0=BC3/mkm

27、ol3310532.110534.106666.006654.0=CC3/mkmol2310074.110534.106666.04667.0=DC3/mkmol3310603.410534.106666.02001.0=EC3/mkmol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）0Y100.0100.0课后答案网 w w w.k h d a w.c o m35.05.010534.1630034006300=BCBAEACCCCCrrR5.0

28、335.03)106.4(10532.13400)106.4(3022.03533.06555.0=)/(3hmkmol2 11 在 210等温下进行来硝酸乙酯的气相分解反应：OHHCCHOCHNONOHC3232222121+该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为：，)(/10897.1exp(1039.11414=sTk若反应是恒容下进行，系统起始总压为 0.1013 Mpa，采用是纯亚硝酸乙酯，试计算亚硝酸乙酯分解率为 80%时，亚硝酸乙酯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：解：（1）恒容过程，其反应式可表示为：DCBA2121+反应速率式

29、表示为：)1(0AAAAXkCkCr=设为理想气体，反应物 A 的初始浓度为：LmolRTpyCAA/10524.248310314.81013.02300=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m)1()/10897.1exp(1039.1)1(04140AAAAAXCTXkCr=)8.01(10524.2)483/10897.1exp(1039.12414=)/(10153.66sLmol=亚硝酸乙酯的分解速率为：)/(10153.66sLmolrRAA=乙醇的生成速率为：)/(10074.3216sLmolrRAD=（3）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由

30、（2.49）式可求得总摩尔数的变化。=+=1115.05.01/AtA由于反应物是纯 A，故有：yAB=1。由（2.52）式可求得组分的瞬时浓度：LmolXyXCCAAAAAA/10804.28.0111)8.01(10524.21)1(3200=+=+=341410804.2)483/10897.1exp(1039.1=AAkCr)/(1034186sLmol=乙醇的生成速率为：)/(10709.121 6-sLmolrRAD=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m212 甲烷与水蒸气在镍催化剂及 750等温下的转化反应为；222442HCOOHCH+原料气孔率中甲烷与水蒸气

31、的摩尔比为 1：4，若是这个反应对各反应物均为一级，已知k=2，试求：)/(smolL（1）反应在恒容下进行，系统的初始总压为 0.1013 Mpa，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）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：解：（1）由题意可将反应速率表示为：DCBA42+RACCkCr=对于恒容过程，则有AABBAAAXCCCXCC0002)1(=LmolRTpyCAA/10382.2102310314.81013.03300=LmolCCAB/10528.910382.2443300=当 XA=0.8 时LmolXCC

32、AAA/10764.42.010382.2)1(430=8.010382.2210528.923300=AABBXCCCLmol/10717.53=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m3410717.510764.42=BACCCkCrR)/(10447.56sLmol=)/(10179.210447.54456sLmolrRCD=（3）对于恒压过程，是个变容不得反应过程，由（2.49）式可求出总摩尔的变化数=+=212141/AiA反应物 A 的原始分率：2.04110=+=Ay由（2.52）式可求得转化率为 80%时的浓度：LmolXyXCCAAAAAA/10609.38

33、.0221)8.01(10384.21)1(4300=+=+=8.02.0218.010382/2210528.91233000+=+=AAAAABBXyXCCCLmol/10331.43=)/(10126.310331.410609.32634sLmolCkCrBAC=)/(10126.36sLmolrRCC=213 在 473K 等温及常压下进行气相反应：（1）RA3ARCr2.1=min)/(Lmol（2）SA2ASCr5.0=min)/(Lmol课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（3）TAATCr1.2=min)/(Lmol式中 CA为反应物 A 的浓度（mol/L

34、），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达到 85%时，其转化速率是多少？解：解：方法（1）先求出总摩尔变化数。A首先将产物的生成速率变对应的反应物的转化速率：ATATASASARARCrrCrrCrr1.225.0214.031=总转化速率为：AATASARACrrrR75.2=+=以一摩尔反应物 A 为基准，总摩尔变化数为：382.0175.21.2275.225.0375.24.0=+=A初始浓度为：LmolRTypCAA/10288.147310314.85.01013.023000=则有LmolXyXCCAAAAAA/106625.186.038.05.0115

35、.010288.11)1(3200=+=+=min)/(10572.4106625.175.275.233=LmolCRAA方法（2），可将CA表示为：课后答案网 w w w.k h d a w.c o m0111221131)1(0000=+=ATASARAAAAAAXyXCC0324585.075.225.0185.075.24.02=+=AjAjXLmolCA/106623.15.03245.0115.010288.132=+min)/(10571.4106623.1775.275.233=LmolCRAA方法（3），利用物料衡算可分别求出反应物 A 生成 R 及 S 的瞬时选择时选择性

36、 SR，SS因而可求出产物 R 及 S 的收率 yR，yS，求得 A 转化率为 85%时的分率：06453.021)1(000=+=SARATSRAAyyyyyyyyyLmolyCCAAA/106623.1206453.010288.12320=min)/(1051.4106623.175.275.233=LmolCRAA其中：07727.085.075.225.01236.085.075.24.075.225.0)1.225.04.0(25.075.24.0)1.225.04.0(4.0=+=+=RRAASAARyyCCSCCS214 在 Pt 催化剂上进行民丙苯分解反应：63662356)

37、(HCHCCHCHHC+以 A，B 及 R 分别代表异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：（1）AA+（2）RBA+（3）+BB课后答案网 w w w.k h d a w.c o m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：根据速率控制及定态近似原理，除表面反应外，其他两步达到平衡，描述如下：AA+AVAAPK=VAAAPK=RBA+BRAApkkrwv=+BBBVBBPK=VBBBPK=以表面反应速率方程来表示整个反应的速率方程：BRAApkkrwv=由于1=+VBA将代入上式得：BA,1=+VBBBAAApKpK整理得：BBAAVpKpK+=11将代入速率方程式中VBA,BBAA

38、ARBABBAABBRBBAAAAApKpKKpppkpKpKpKpkpKpKpKkr+=+=1/)(11wv其中，。AKkkv=BApKkKkKwv/=215 在银催化剂上进行乙烯氧化反应：OHCOHC4224222+化作)(2)()(22RBA+其反应步骤可表示如下：（1）AA+（2）BB222+课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（3）+RBA（4）+BB若是第三步是速率控制步骤，试推导其动力学方程。解：解：根据速率控制步骤及定太民近似原理，除表面反应步骤外，其余近似在到平衡，写出相应的覆盖表达式：（1）AA+AAAApK=（2）BB222+VBBBpK=（4）+BBV

39、RRRpK=整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示：VRBAAkkrwv=根据总覆盖率为 1 的原则，则有：1=+VRBA或1=+VVRRVBBAAApKpKpK整理得：RRBBAAVpKpKpK+=1将代入反应速率方程，得：VRBA,222)1()/(RRBBAARBAVRRVBBAAApKpKpKKpppkpKkpKpKkr+=wv式中，。BAKKkkv=RKkkKw/=216 设有反应 AB+D，其反应步骤表示如下：（1）AA+（2）DBA+（3）+BB若（1）是速率控制步骤，试推导其动力学方程。解：解：先写出各步的速率式：课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（1

40、）AA+AdAVAaAkpkr=1（2）DBA+Askr=2（3）+BBVBaBBdBpkkr=3由于（1）是速率控制步骤，第（2）是不可逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有：ASAdAVAaAkkpk=整理得：dASVAaAAkkpk+=步骤（3）可按平衡处理：VBBBpK=因为。1=+VBA将代入上式，化简后得：BA,BBdASAaAVpKkkpk+=11最后将代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式。VA,BBdASAaAdASAaASBBdASAaAdASAaAdAAaApKkkpkkkpkkpKkkpkkkpkkpkr)(11+=+=217一氧化碳变换反应：)()()()(

41、222DHCCOBOHACO+在较低温度下，其动力学方程可表示为：CCAABApKpKpkpr+=1试拟定该反应的合适的反应步骤。解：解：根据题意，假设反应步骤如下：课后答案网 w w w.k h d a w.c o m（1）AA+（2）DCBA+（3）+CC并假定第二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程：BASpkr=其余的两步可认为达到平衡则有：VAAApK=VCCCpK=由于，有1=+VCACCAAVpKpK+=11将代入速率式，得VA,CCAABACCAABAASpKpKppkpKpKppKkr+=+=11式中。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。ASK

42、kk=218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。解解：先用积分法求其动力学方程。设为一级别可逆反应，其速率表达式为：AAAkCdtdCr=积分得：)ln(0AACCkt=用作图。tCCAA)ln(0T/h0123456789Ln(CA0/CA)00.4420.8321.2531.6092.1082.4572.8623.4383.843课后答案网 w w w.k h d a w.c o m作图得一直线，其斜率为 0.425h-1，故所设一级反应是合理的，其动力不方程可表示为：)/(424.0hLmolCdtdCrAAA=用微分法求解动力学方程首先用 CAt 曲线，在曲线上

43、取时间为 0，1，29h 所对应点的切线，为了准确可采用镜面法，求得各切线斜率即为对应的 dCA/dt 之值，然后再以 dCA/dtCA作图，所求的 dCA/dt值如下表所示：设为一级不可逆反应，用 dCA/dtCA作图得一直线，其斜率为 0.5 h-1，其动力学方程表示为：AAACdtdCr5.0=或将速率方程直线化，即两边取对数，得：AACnkdtdClnln)ln(+=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 CAt 曲线，然后再将该数学公式对 t 求导，求得 dCA/dt 之值，此法会比作图法

44、来得准确。219 在 Ni 催化剂上进行甲烷化反应：OHCHHCO2423+由实验测得 200时甲烷的生成速率及 CO 和2的分压的关系如下：4CHR2,HCOppT/h01234567891/LmolCA1.400.900.610.400.280.170.120.080.0450.031)(/hLmoldtdCA0.700.450.2950.1910.1470.0950.060.0330.0250.015MPapCO/0.100.180.4080.721.05课后答案网 w w w.k h d a w.c o m若该反应的动力学方程可用幂函数表示，试用最小二科法求一氧化碳的反应级数及正反应速

45、率常数。解：解：由题意可写出速率方程式：24HaCOCHppkr=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：aCOCHkpr=4式中，将速率式直线化：2Hpkk=或y=b+axCOCHpkrlnlnln4+=式中，由残差平方和最小而导出最小二科法的系数计算4lnCHry=kbln=COpxln=式：122=xaymbxmxxymyxa将累加值代入 a，b 系数式中，得：MPapH/20.10130.10130.10130.10130.1013min/4gmolRCH31033.721032.121000.321028.521070.7序号yxX2xy1-4.916

46、-2.3035.30211.322-4.328-1.7152.9417.4213-3.507-0.8970.8043.1444-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0490.002-0.125-18.26-5.2939.15722.73课后答案网 w w w.k h d a w.c o mmin)/(10144.7)min/(2809.0)min/(10144.7ln639.2)293.5(957.026.18511957.0157.95)293.5(73.225)293.5()26.18(232244=gmolprRMPakgmMPagmolkkbaCOCHCH4.

47、管 式 反 应 器4.1在常压及 800等温下在活塞流反应器进行下列气相均相反应：4662356CHHCHCHHC+在反应条件下该反应的速率方程为：)/(5.15.0sLmolCCrHT=式中分别为甲苯和氢的浓度（），原料处理量为 2，其中甲苯与氢HTCC,Lmol/hkmol/的摩尔比等于 1。若反应器的直径为 50，试计算甲苯最终转化率为 95时的反应器长mm度。解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程。原料甲苯与氢的摩尔比等于，即，则有：00HTCC=)1(0TTHTXCCC=式中下标 T 和 H 分别代表甲苯和氢，其中：)/10278.0(/12/2/1068.5107310314.81

48、0013.15.03000333500skmolhkmolCQFmkmolRTpCTTTT=所以，所需反应器体积为：35.05.1395.0035.10005.0000006.315.1)95.01(4329.0)1)(1068.5(5.110278.05.15.1mXdXCdXCQCCdXCQVTTTTXTHTTXTrTT=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m所以，反应器的长度为：m7.15314/14.305.0006.32=42根据习题 3.2 所元宝和条件和给定数据，改用活塞流管式反应器生产乙二醇。试计算所需的反应体积。并与间歇釜式反应器进行比较。解：题给条件说明该反

49、应为液相反应，可视为恒容过程。在习题 3.2 中已算出：LmolChLQA/231.1,/8.27500=所以，所需反应体积：LXXkCQXCCXkCdXCQVAAAAABAAAXArA6.81895.0195.0231.12.58.2751)(1(00000000=由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小于间歇釜式反应器的反应体积，这是由于间歇釜式反应器有辅助时间造成的，如不计辅助时间，对于恒容过程所需反应器体积是相同的。431.013105Pa 及 20下在反应体积为 0.5的活塞流反应器中进行一氧化氮3m氧化反应：)/(104.122324222smkmolCCrNOONOONONO=+

50、式中的浓度单位为。进气组成为 10，1，9，80。若进3/mkmolNO2NO2O2N气流量为 0.6（标准状态下）/h，试计算反应器出口的气体组成。3m解：由 NO 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程。其设计方程为：（A）BAAXArCCdXCQVA24000104.1=式中 A，B 分别表示和。由题意可知若能求得出口转化率，由（2.54）式得：NO2OAAAAAAiiiXyXyyy0001+=便可求出反应器出口气体组成。已知：课后答案网 w w w.k h d a w.c o mhkmolFsmhmQyyiBAAiA/10677.24.226.0)/107888.1(/644.0273

51、/)20273(6.009.010.02120343000=+=3320/10159.4644.01.010677.2mkmolCA=3320/10743.3644.009.010677.2mkmolCB=所以，反应速率为：23242002204)05.01(10)078.2743.3()1(104.1)1()05.01*)21()1(104.1AAAAAAABAAAXXXXXXCCXCr=再将有关数据代入（A）式：AAAAXdXXXXA)078.2743.3()1()05.01(10789.110159.4145.022043=用数值积分试差求得：%7.99=AX因此，%32.0997.00

52、5.01)997.01(1.005.0100=AAAAAXXyyy%197.84997.005.018.0%546.11997.005.01997.01.0221.0%227.4997.005.01997.01.02109.022=+=NNOByyy另：本题由于惰性气体占 80，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有多2N大的误差。4.4在内径为 76.2的活塞流反应器中将乙烷.热裂解以生产乙烯：mm课后答案网 w w w.k h d a w.c o m24262HHCHC+反应压力及温度分别为 2.026105Pa 及 815。进料含 50（），其余为水mol62HC蒸气。进料量等于 0

53、.178，反应速率方程如下：skg/AApkdtpd=式中为乙烷分压。在 815时，速率常数，平衡常数，Ap10.1=skPaKp41049.7=假定其他副反应可忽去，谋求：（1）此条件下的平衡转化率；（2）乙烷的转化率为平衡转化率的 50时，所需的反应管长。解：（1）设下标 A 为乙烷，B 为乙烯，H 为氢气。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：AHBppppK=若以为基准，反应前后各组分的值如下：621HCmol+,224262OHHHCHC反应前10012平衡时1eX1eXeXeX+2因此，平衡时各组分的分压为：eeiAeeiHeeiBXXppXXppXXpp+=+=+=2)1(,2,2

54、将其代入平衡式有：4521049.72)1(10026.22=+eeeeXXXX解此一元二次方程得：611.0=eX（2）求所需的反应管长度：首先把反应速率方程变为)/()/(3smkmolRTpkdtRTpdpA=课后答案网 w w w.k h d a w.c o m以保证速率方程的单位与物料平衡式相一致，已知：skmolFA/0037.05.0185.0305.0178.00=+=代入物料平衡式有：3306.00530013.01210026.21108810314.80037.021mdXXXRTpXXkdXFVAAAiAAAXArA=+=+=其反应管长：mL8.284/14.3)076

55、2.0(13.02=45于 277，1.013105Pa 压力下活塞流反应器中进行气固相催化反应：OHHCOOCCHCOOHCHOHHC2523352+（A）（B）（P）（Q）催化剂的堆密度为 700，在 277时，B 的转化速率为：3/mkg)/()10515.11(3600)8.9/)(10885.83.0(10096.4467skgkmolpppprPAQPB+=式中的分压以 Pa 表示，假定气固两相间的传递阻力可忽略不计，加料组成为23，46B，31（均为质量分率），加料中不含酯，当时，所需的催化剂量是多少？AQ%35=BX反应体积又是多少？乙酸乙酯的产量为 2083，hkg/解：由反

56、应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为 B组分转化率的函数，其中：BBQQBBPBBAABBBXpppXppXpppXpp000000)1(+=为求各组分初始分压，须将加料组成的重量百分率化为摩尔百分率，即 12.34的，32。B1的，55.45的。于是有：AQ课后答案网 w w w.k h d a w.c o m50505010013.15545.010013.13220.010013.11234.0=QABpppskmolFB/188.035.088360020830=将上述有关数据代入设计方程：BBXBrdXFWB=00采用数值积分便可得到所需的催化剂量：kgW41001.1=

57、其反应体积为：345.147001001.1mWVr=46二氟一氯甲烷分解反应为 1 级反应：)(2)()(2422gHClgFCgCHClF+流量为 2的纯气体先在预热器预热到 700，然后在一活塞流反应器中hkmol/2CHClF700等温下反应，在预热器中已部分转化，转化率为 20。若反应器入口处反应2CHClF气体的线速度为 20，当出口处的转化率为 40。8时，出口的气体线速度是sm/2CHClF多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为 1.013105Pa，700时反应速率常数等于 0.97 s-1。若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？解：反应历程如下图所示：预热

58、器反应器温度0TinTinfTT=线速度0uinufu转化率00=AXinAX,fAX该反应为变容过程，其中，由（2。50）式知：2/1,10=AAy课后答案网 w w w.k h d a w.c o m)1()1(0000AAAAAAXyuuXyQQ+=+=由已知条件，且考虑温度的影响可算出转化率为零时的线速度：smTTTTXyuuinininAAAin/18.1820.05.0120)1(00,00=+=+=其出口处气体线速度为：smTTXyuufAAAf/89.21)408.05.01(18.18)1(000=+=+=由设计方程算出反应器长度：)5.01/()1(,0,AAinAAXin

59、AinrinXXkCdXCQVuLAf+=那么需求出以反应器入口为基准的出口转化率。据，可求出fAX00/AAAAFFFX=，所以，hkmolFhkmolFfAinA/184.1,/6.1,=26.06.1184.16.1=fAX因而有：mXXkuLAAin63.6)13.0452.0(97.0205.011ln)5.01(26.00=+=这里由于反应器的截面积没有固定，固定的是反应气体的线速度等条件，因此，当流量提高一倍时，而其余条件不变，则反应器的长度并不变，只是其截面积相应增加。4.7拟设计一等温反应器进行下列液相反应：2212ASBARCkrSACCkrRBA=+目的产物为 R，且 R

60、 与 B 极难分离。试问：（1）在原料配比上有何要求？（2）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？（3）如用半间歇反应器，又应用什么样的加料方式？解：对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物 R 的最终收率或选择性最大。据动力课后答案网 w w w.k h d a w.c o m学特征，其瞬时选择性为：BACkCkS12/211+=由此式可知要使 S 最大，越小越好，而越大越好；而题意又给出 R 与 B极难分离，ACBC故又要求不能太大，兼顾两者要求。BC（1）原料配比，如果 R 与 B 极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的 A 量外，应按第一个反应的化学计量比配料，而且使 B

61、组分尽量转化。（2）若采用 PFR，应采用如图所示的加料方式，即 A 组分沿轴线向侧线分段进料，而 B在入口进料。A（3）如用半间歇反应器，应采用 B 一次全部加入，然后慢慢加入 A 组分，直达到要求的转化率为止。48在管式反应器中 400等温下进行气相均相不可逆吸热反应，该反应的活化能等于 39.77。现拟在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变的前提下（采molkJ/用等温操作），增产 35，请你氦定一具体措施（定量说明）。设气体在反应器内呈活塞流。解：题意要求在反应器大小，原料组成和出口转化率均保持不变，由下式：)(000AAXArXkfdXCQVA=可知，与反应速率常数成正比，而改

62、变反应温度又只与有关。所以，提高反应温度使0Qk其增产。具体值为：35.1135.01673314.839770314.8397701201022=+=AeAekkQQT解此式可得。即把反应温度提高到 702.7K 下操作，可增产 35。KT7.7022=B反应器课后答案网 w w w.k h d a w.c o m49根据习题 3.8 甩给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算苯酚的产量，并比较不同类型反应器的计算结果。解：用活塞流反应器：AAAAXArXkXkCdXCQVA=11ln1)1(0000将已知数据代入得：989.011ln08.013.00=Q解得min,/319.030mQ

63、=苯酚产量为：min)/99.94(min/01.1989.02.3319.0000kgkmolCXQXFAAAA=由计算可知改用 PFR 的苯酚产量远大于全混流反应器时的苯酚产量，也大于间歇反应器时的产量。但间歇反应器若不计辅助时间，其产量与 PFR 的产量相同（当然是在相同条件下进行比较）。410根据习题 3.9 所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，反应温度和原料组成均保持不变，而空时与习题 3。9（1）的反应时间相同，A 的转化率是否可以达到 95？R的收率是多少？解：对于恒容过程，活塞流反应器所需空时与间歇反应器的反应时间相同，所以 A 的转化率是可以达到 95的。R 的收率与间歇反

64、应器时得到的收率也相同，前已算出收率为 11。52。411根据习题 3.14 所给定的条件和数据，改用活塞流反应器，试计算：（1）所需反应体积；（2）若用两个活塞流反应器串联，总反应体积是多少？解：(1)用 PFR 时所需反应体积：课后答案网 w w w.k h d a w.c o m35.05.05.05.005.15.100047.1 1)95.01 1581.05.020005.1 1)1(5.0)1(mXkCQXkCdXCQVAAAAAXArA=（2）若用两个 PFR 串联，其总反应体积与（1）相同。412在管式反应器中进行气相基元反应，加入物料 A 为气相，B 为液CBA+体，产物

65、C 为气体。B 在管下部，气相为 B 饱和，反应在气相中进行。已知操作压力为 1.013105Pa，B 的饱和蒸气压为 2.532104Pa，反应湿度 340，反应速率常数为 102，计算 A 的转化率达 50时，A 的转化速率。如 A 的流min)/(3molm量为 0.1，反应体积是多少？min/3m解：此反应为气相反应，从化学计量方程式看，是变容反应过程，但气相中为常数，Bp故可看成恒容过程。假定为理想气体，其中：PapmolmkPapAB503410)232.0013.1(min)/(10010532.2=)1(0149.061310314.8)1(107598.0/1097.4613

66、10314.810532.2)1(3533340AAAABBAAAXXRTpCmkmolRTpCXpp=当时，A 的转化速率为：%50=AXmin)/(7.3)5.01(0149.01097.410335=mkmolCkCRBAA当时，min/1.030mQA=ABC课后答案网 w w w.k h d a w.c o mmin/033.07598.0/2532.01.030mQB=所以，。min/133.03000mQQQBA=+=此时所需反应体积为：)185.0(1085.15.011ln101097.4133.01345300000LmXdXkCQCkCdXCQVAAXBBAAXArAA=413在一活塞流反应器中进行下列反应：QPAkk21两个反应均为 1 级，反应温度下，。A 的进料流量为 31211min10.0,min30.0=kk，其中不含 P 和 Q，试计算 P 的最高收率和总选择性以及达到最大收率时所需的反应hm/3体积。对 1 级连串反应可得如下关系式：（A）=)121()1(1112AkkAPXXkkY若求最高收率，即令：，可得到：0/=APXY8076.03.01