反应工程第五章习题答案
化学反应工程第二版习题解答
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第一章习题1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。
2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。
化学反应工程-第五章 气固相催化反应宏观动力学
P催化剂颗粒孔隙率－
SV催化剂颗粒的比表面积cm2cm3
P催化剂颗粒密度g cm3
Sg单位催化剂的比表面积cm 2g 1
9
5.1.3 综合扩散
微孔孔径在一定范围之内，两种扩散同时
起作用。 当10-2< λ/do<10时
D
1/
Dk
1
1 ayA
/
DAB
a 1 NB NA
35.9
1.98 D2 6.70 NH3
14.9
5.48 He 2.88 H2O
12.7
5.69 N2 17.9 (CCl2F2) 114.8
19.5 O2 16.6 (Cl2)
37.7
17.0 空气 20.1 (SiF4) 69.7
16.1 CO 18.9 (Br2)
67.2
22.8 CO2 26.9 (SO2) 41.1
13
氢在苯中的分子扩散系数为：
DAB
273 200 1.5 1
0.436
78
1
1
0.5
2
1
2
78.15 cm2s1 p
p 7.073 90.683
当p=101.33 kPa时DAB=0.7712 cm2s-1 p=3039.3 kPa时DAB=0.02571 cm2s-1
D
1
0.01522cm2s1
1 1
0.0373 0.02571
有效扩散系数为：
De
D P
0.01522 0.43 4
0.001636cm2s1
16
5.2气固相催化反应等温宏观动力学
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第五章_催化剂与催化动力学基础
Ki 称为吸附平衡常数，是i组分吸附速率常数与脱附速率常数之比。 式（5-28）即为过程的总速率方程。由该式的分母可知，反应物和产物 均被吸附。分母的方次表明该反应是在A、B两个活性中心之间进行的。
若控制步骤为可逆反应 过程总速率：
Aσ + Bσ
k1
k2
Rσ + Sσ
r k k A 1 A B 2 R S
第五章 催化剂与催化动力学基础
5.1 催化剂
能够改变化学反应速率而本身在反应前后不发生组成变化的物质。 （1）类型 金属（良导体）、金属氧化物和硫化物（半导体）以及盐类和 酸性催化剂（大多数是绝缘体） （2）载体 活性炭、硅胶、活性白土、硅藻土、沸石（分子筛）、骨架Ni、 活性Al2O3、 Fe等 （3）性能要求 活性好、选择性高、寿命长。 （4）结构
k k K K 1 A B
K
k1K A KB k2 KR KS
比较式（5-28）和式（5-30）可见，表面反应为控制步骤时，可逆反 应与不可逆反应速率式的分母相同，区别在于分子。可逆反应的分子上有两 项，不可逆反应只有一项。
A在吸附时解离 A + 2σ B + σ 2A1/2σ + Bσ Rσ Sσ 按上述方法可得到
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积
破碎强度
压降
独石形
金属独石形
Foam
（5）制备方法
① 混合法
② 浸渍法 ③ 沉淀法或共沉淀法 ④ 共凝胶法 ⑤ 喷涂法及滚涂法 ⑥ 溶蚀法 ⑦ 热熔法
5.3 气固相催化反应动力学
气-固相反应速率的定义式
化学反应工程练习题解答
第一章习题1 有一反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，反应物转化掉80％，经过18min 后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。
解2A A min 18A0min 8A0AA A0d d 219.019.0181)(218.018.081)(11kc tc kc kc x x c kt =-=-⋅==-⋅=-⋅=为假设正确，动力学方程2 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：()()()()S R B A O H H COOC CH OH H C COOH CH 2943SO H 94342+−−→−+反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在100℃下进行。
A转化率达50％需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。
混合物密度为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。
解3313111111i 1.2m 0.750.8949总体积反应0.8949m 0.910.9834有效体积反应0.91hr6054.6折合54.6min 3024.6总生产时间hr 0.9834m 750737.5换算成体积流量hr 737.5kg 634.1103.4总投料量hr 634.1kg 744.97724.1B 4.97:1B :A hr 103.4kg 601.724折算成质hr 1.724kmol 0.50.862的投料量A ，则50%转化率hr 0.862kmol 116100hr 100kg 2400/24R 116 74 60 M S R B A ==⨯==+=⋅=+⋅=⨯⨯=⋅=⨯⋅=⋅=⋅=+→+-------器器投料量则量流量产量3 反应(CH 3CO)2O+H 2O →2CH 3COOH 在间歇反应器中15℃下进行。
已知一次加入反应物料50kg ，其中(CH 3CO)2O 的浓度为216mol ·m -3，物料密度为1050kg ·m -3。
化学反应工程原理-副本第五章-连续流动釜式反应器
第五章 连续流动釜式反应器1 连续流动釜式反应器的特点： 。
2 表征循环反应器特性的一个重要参数是 ，它表示循 。
3 简述返混对反应过程的影响4 作出BR 反应器、PFR 反应器及CSTR 反应器的浓度分布图5 根据PFR 反应器及CSTR 反应器的设计方程，图解比较两种反应器在反应级数n 大于0、等于0及小于0时的反应器体积V PFR 与V CSTR 的大小。
6 CSTR 中，瞬时选择率β、出口状态下的选择率f β和平均选择率β的关系是 7对于反应级数为一级和二级的简单反应，分别在CSTR 和PFR 反应器中进行反应，关键组分的转化率一样，通过作图说明在两种反应器中进行反应，反应级数对完成反应任务所需要的反应器体积的影响。
8 混合是 进入反应器物料之间的混合；返混是 进入反应器物料之间的混合。
返混是 过程的伴生结果；返混与 无关，与 有关。
9 返混的起因是：（1） ，包括：循环反应器的循环流，CSTR 中的搅拌作用；（2） ，包括：流体以层流流经管式反应器，反应器内的死区、沟流、短路。
限制返混的措施有： 。
10 一液相复合反应Q A PA k k −→−−→−21，均为基元反应。
在单一连续釜中等温反应，已知该温度下，213k k ,问当最终转化率为80％时，目的产物P 的瞬时选择性为： ，总选择性为： 。
12 反应物A 的水溶液在等温PFR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
13 反应物A 的水溶液在等温CSTR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
14 在PFR 中进行等温二级反应，出口转化率为0.8，若采用与PFR 体积相同的CSTR 进行该反应，进料流量Q 0保持不变，为达到相同的转化率0.8，可采用的办法是使C A0增大 倍。
15 等温下，进行一级不可逆反应，动力学式为（-γ A ）=kCA ，k = 1min-1，CA0=1kmol/m3，PFR 、CSTR 的τ均为 1 min ，计算最终转化率。
化学反应工程第五章
5.2.1 停留时间（寿命）分布密度函数E（t）
• 如图5.2-1所示，t=0时瞬间进入的N个流体质点 中，寿命介于t →t+dt之间的质点数dN所占总质 点数N的分率dN/N=E(t)dt，E(t)dt为一微分的分 率，E(t)= dN/N dt，其量纲为[时间]-1，称为停 留时间（寿命）分布密度函数。
• 当t→∞时，t→0同时进入反应器的N个质点全 部流出反应器，故有：
F (t ) t E (t )dt 1
0
dF (t ) E (t ) dt
或
dF (t ) E (t )dt
• 停留时间分布积累函数F(t)有以下性质： • t=0时，F(t)=0；t=∞时，F(t)=1，所以， 0≤F(t)≤1，即，F(t)是一个单调不减函数； • dF(t)/dt=E(t) ，F(t)为一无因次数
t 0
• 例如某一次的考试成绩分布如下：
则平均成绩 M=∑MiXi=60*5%+70*15%+80*65%+90*15%=79 可见平均成绩是各级成绩的加权平均值。
• 流体质点在反应器中的停留时间可能值为0→∞， 停留时间为t的流体质点所占的分率为E(t)dt， 故： 平均停留时间 t 0 tE (t )dt tE (t )t 0 为避免实验结果带来的系统误差，对于离散型 数据可以除于 E (t )t i
t
tE (t )t E (t )t
0 0
0
i
ti 相同
tE (t ) E (t )
0 0
脉冲示踪法
tC (t ) C (t )
0 0
i
核反应堆工程部分习题参考
h f h0 Qs Qt 1 h h h e f e g 0
故平衡态含汽率为： e
sin
zs H / 2
H 2
1
0.25
1 0.25 h f h0 0.1728 0.25 hg h f
1
均匀流模型下，滑速比为： S 1.0 所以空泡份额为：
0.015 2 ) 6.1 10.78m3 2
10 P 200 7.05 1020 3.824 1022 2.748 1012 10.78 2.558105 kW t 1.602110
3 有一板状燃料元件，芯块用铀铝合金制成（铀占 22%重量） ，厚度为 1mm，铀的富集度 14 2 为 90%，包壳用 0.5mm 厚的铝。中子注量率为 10 /(cm •s)。元件两侧用 40℃水冷却，对流 传热系数 h = 40000W/(m •℃)，假设气隙热阻可以忽略，铝的热导率 kAl = 221.5W/(m•℃)， 铀铝合金的热导率 kU-Al = 167.9W/(m•℃)，裂变截面 σf = 520×10-24 cm2 。试求元件在稳态下的 径向温度分布。 解： 求温度分布，需求体积释热率； 体积释热率 qV Fu E f R Fu E f N5 f ，其中 Fu 97.4% ， E f 200MeV ， σf = 520×10-24 cm2 ； 元件两侧用 40℃水冷却， 中心温度不会很高， 故求 N5 时铀的密度取附录 A 中 93℃时的 值：
包壳中： T ( x) Tci
aqV ( x a) k AL a 2kU AL
由热阻定义， T0 Tm aqV (
k AL
陈甘棠主编化学反应工程第五章
⑵选择性 指？
高选பைடு நூலகம்性可节约原料、减化工艺。
影响选择性的因素很多，有物理的和化学的。
就催化剂的构造而言，主要有：活性组分在
表面上的定位和分布、微晶粒度大小、载体 的孔结构、孔径和孔容等。
当遇到转化率和选择性的要求不能同时满
足时： a：如果反应原料昂贵或者产物和副产物分 离困难时，宜采用高选择性的催化系统 b：若原料价格便宜，且产物与副产物分离 不困难，则采用高转化率操作。
（4）共凝胶法
与沉淀法类似，将两种溶液混合生成凝 胶。如合成分子筛就是将水玻璃（硅酸钠）与 铝酸钠的水溶液与浓氢氧化钠溶液混合，在一 定的温度和强烈搅拌下生成凝胶，再静臵相当 长时间使之晶化、然后过滤、水洗、干燥得到。 得到的分子筛表面含有大量的正离子，部分是 容易解离的，则可与过渡金属离子（镁离子、 钙离子、锂离子）等进行交换，在硅酸盐表面 形成具有高活性、高选择性的交换型分子筛， 并有良好的抗毒性和耐热性。在炼油工业中用 量很多。
法。 均匀沉淀法是首先使待沉淀溶液与沉淀剂母体 充分混合，形成十分均匀的体系，然后调节温 度使沉淀剂母体加热分解转化为沉淀剂，从而 使金属离子产生均匀沉淀，比如尿素。 采用此方法得到的沉淀物，由于过饱和度在整 个溶液中都比较均匀，所以，沉淀颗粒粗细较 一致而且致密，便于过滤和沉淀。
沉淀法的影响因素
（3）沉淀法 借助沉淀反应，用沉淀剂将可溶性的催化剂
组分转化为难溶化合物，再经分离、洗涤、 干燥、焙烧、成型等工序制得成品催化剂。
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之一，
广泛用于制备高含量的非贵金属、金属氧化 物、金属盐催化剂或催化剂载体。
对于要求特别均匀的催化剂，可采用均匀沉淀
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化学反应工程习题（第五章）5.1乙炔与氯化氢在HgCl 2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应2223C H HCl C H Cl +↔ ()A ()B ()C其动力学方程式可有如下种种形式：(1) 2(/)/(1)A B C A A B B C C r p p p K K p K p K p κ=-+++ (2) /(1)(1)A B A B B B C C A A r K K p p K p K p K p κ=+++ (3) /(1)A A B A A B B r K p p K p K p κ=++(4) /(1)B A B B B C C r K p p K p K p κ=++试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解：（1） A A σσ+↔B B σσ+↔A B C σσσσ+↔+ （控制步骤） C C σσ↔+（2） 11A A σσ+↔22122111B B A BC C C σσσσσσσσ+↔+→+↔+（控制步骤） （3） A A σσ+↔B B σσ+↔A B C σσ+→+ （控制步骤）（4） B B σσ+↔A B C σσ+→ （控制步骤） C C σσ↔+5.2 在Pd-Al 2O 3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为 243222321C H C H C O O H O C H C O O C H H O 2++↔+实验测得的初速率数据如下[功刀等，化工志，71，2007（1968）.] 115℃, AcOH 200p mmHg =，292O p m m H g =。
24()C H p m m H g70 100 195 247 315 4655010(/)r m ol hr g ⨯⋅催化剂3.94.4 6.0 6.6 7.255.4注：1mmHg=133.322Pa如反应机理设想为2424242422423223232222O ()O O +A cO H A cO H C H C H A cO H C H H C H O A c O O H C H O A c O C H O A c H C H O A c C H O A c H H σσσσσσσσσσσσσσσσ+↔+↔+↔++↔+→+↔+↔控制步骤试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
解： 243222321C H C H C O O H O C H C O O C H H O 2++↔+（A ） （B ） （C ） （E ） （F ） A A A VK P θθ=B B B V K P θθ=C Vθ=1D s A B A B V k K K P P θθ= E E E VK P θθ= F F F V K P θθ=2D C 102''22323()()V s AAA A r k K P P r K K P K K P θθθ======++=''23AK K P +24()C H p m m H g70 100 195 247 315 4655010(/)r m ol hr g ⨯⋅催化剂3.94.4 6.0 6.6 7.255.4310-1.341.51 1.80 1.932.08 2.93A P 作图，基本上为一直线。
∴上述数据与反应速度式基本符合。
5.3某反应A R S −−→+，其动力学方程式为 (/)/(1)A A A R S A A R R r kK p p p K K p K p -=-++试导出平推流式的等温积分反应管中转化率X A 与W/F AO 的关系式。
解：设总压不变且0000(0)A R S p p p p p ==== 2111A δ-==000(1)(1)(1)1(1)(1)A A A A A A A A A AA A p x x x p p p y x x x δ---===+++同理： 1A R s Ax p p p x ==+将各p 值代人题中给出的动力学方程式，并简化得：222(1)/()A r a x bx cx d -=-++式中： 21p a k=+1()/R A Ab K K k K p=+- 2()/R A c K kK p=+ 1()/A A d K kK p=+ A x x =并设A r -是以单位床层体积为基准的，反应管中堆积密度为B p （不应存在密度项）。
22222220111f f f x x x A BW xx d b dx c dx d dx F a xa xa xρ=++---⎰⎰⎰22222112121121211lnln(1)212f f f f f x x x x x f f ffbx bx x dddx dx c dx dx dxaaxaaxa xaxaxax b dc a x bx aax a=-+++-+--+++=----⎰⎰⎰⎰⎰5.4在200℃下，苯在Ni 催化剂上加氢。
已知催化剂微孔的平均孔径4.0mm ，求总压分别为0.1Mpa 及3.5MPa 下氢的扩散系数。
解：由陈甘棠（81版）表5.3-4查得：266:/59.7:/412.3H k C H k ξξ==102.827105.349mσσ-=⨯=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：1/21/211()(2.827 5.349) 4.08822()(59.7412.3)157.0A B AB A B A B k kσσσξξξ=+=+===⨯=故： /473/157.030.1AB kT ξ==由表5.3-3查得： 0.9483AB Ω=代入（5.3-61）式：2663/22211()0.8602.01678.110.001858(473)/(4.088)(0.9483)HC HD cm s p p -+== 当p=0.1MPa=1atm 时 266220.860/0.860/1HC HD cm s cm s -==当p=3.5MPa=35atm 时 266220.860/0.02457/35HC HD cm s cm s -==至于努森扩散则由（5.3-65）式计算，它与总压是无关的。
1/224739700(0.4)()59431.5/2.016K D cm s ==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 p =0.4cm ，ρp =1.06g/cm 3， εp =0.52, S g =350m 2/g ，求在500℃，0.1Mpa 时，异丙苯的微孔中的有效扩散系数。
设已知微孔的曲折因子τ=3，异丙苯-苯的分子扩散系数为0.155cm 2/s 。
解： 742220.52 2.8101.0635010g ggp gV a cm S S ξρ-⨯====⨯⨯⨯孔径很小属努森扩散区：73232333250027397009700 2.8106.8910/12011 6.6010/111/1/0.1556.89100.52 6.60101.1410/3k k k A BD e D cm sD cm s D D D D D cm sξτ------+==⨯⨯=⨯===⨯≈++⨯⨯⨯===⨯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0.2cm 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150cm 3，床层空隙率0.40，所用气体流量均为3cm 3/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R p1, R p2： 表面积/体积22224222423p PR R R RR RR πππππ⨯+⨯=⨯ ，故P R R =∴ 110.2/20.1P R R cm ===，220.8/20.4P R R cm ===， 120.10.250.4P P R R == 一级反应催化剂有效系数与浓度无关，分别设为η1，η2 '00'011ln(1)1A f A f x x p A A v A A f vA fAdx dxc c k c x k x r τηη===---⎰⎰式中'A r -，'p τ均以催化剂粒子体积为基准：'211ln1.07910.66p k τη==-， '221ln0.35710.3p k τη==-121212/ 3.02//0.25P P R R ηηϕϕ=⎧⎨==⎩ 根据式（5.3-91）计算，311()tan s ssηϕϕϕ=-，用试差法求得：1 3.29ϕ= 213.16ϕ= 10.637η= 20.211η= 此算法均是将圆柱子化作当量球形求解。
（2）'11.079v pk τη=（或'20.357pτη） '(1)1500.630()3R p V s V ετ-⨯===21.0795.6510(1/)300.637v k s -==⨯⨯由式（5.3-78）222521215520.1 5.65105.2210/3.2920.2 5.22102.9810/0.35P ve e pR k D cm sD D cm sϕτε----⨯⨯===⨯⨯⨯===⨯5.7 某组分A 在540℃下的催化剂上反应，其速率式为 132()8.3610A A r p --=⨯ /m o l s g ⋅催化剂φA 的单位为Pa 。
如催化剂颗粒的密度为0.8g/cm 3，当量直径为0.3cm ，颗粒外表面上A 的分压为p A,s =1.2×104Pa ，A 的组分在粒内的扩散系数为0.020cm 2/s,求催化剂的有效系数。
解：用浓度表示时 13222()8.3610()A pA v Ar R T c k c ρ--=⨯= PV=nRT 故：-r A 1322528.3610(0.80)(8.314813) 3.055610v A A k c c --=⨯⨯=⨯又R=0.3cm 代入（5.3-77）0.01562s φ====于是从图5.3-11中查得：η=0.915.8 某一加氢化反应，在0.2Mpa 及80℃下进行，如粒子的ρp =1.16g/cm 3，λe =1.065×10-1w/m ﹒K ，H 2在粒内的扩散系数D e =3.0×10-2cm 2/s,反应热△H=-180Kj/mol ，反应的活化能为62.8Kj/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10×10-7mol/s ﹒g 催化剂，试估算粒度为d p =1.30cm 时的反应速率。