化学反应工程第五章习题课
(完整版)反应工程第五章习题答案
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 AB A A B B r K p p K p K p κ=++ (4)/(1)B A B B BC 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+↔ （控制步骤）A B C σσσσ+↔+C C σσ↔+（2）11A A σσ+↔（控制步骤）22122111B B A BC C C σσσσσσσσ+↔+→+↔+（3）A A σσ+↔B B σσ+↔（控制步骤）A B C σσ+→+（4） B B σσ+↔ （控制步骤）A B C σσ+→ 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 CH COOH O CH COOC H H O2++↔+ 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 mmHg =24()C H p mmHg701001952473154655010(/)r mol hr g ⨯⋅催化剂 3.94.46.06.67.255.4注：1mmHg=133.322Pa如反应机理设想为2424242422423223232222O ()O O+AcOH AcOH C H C H AcOH C H HC H OAc O O HC H OAc O C H OAc H C H OAc C H OAc 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。
化学反应工程课后习题解答全解PPT教案
pA 0.0586t3 3.3119t2 82.305t 996.12
（3）对回归方程求导，得到微分方程
dpA 0.1758t2 6.6238t 82.305 dt
（4）由微分方程求各点的斜率，如下表
第78页/共94页
时间 0.0 2.5 5.0 10.0 15.0 20.0
/min
总压 1000 1400 1666 2106 2386 2586
/Pa
.5 .5 .4 .4
pA 1000 800 666. 446. 306. 206.
-（dp4A/）dt 对r8A 2.3ddptA66~.8pA
75 53.5
分7别5取自然8 对数，8 得到数据如下 33.6 22.5 20.1
pA 10500 84040 68616. 44476. 30036. 24096.
/min
总压 1000 1400 1666 2106 2386 2586
/Pa
【解】
（1）参照例2-.57将系.统5 总压.力4 转化.4为A
组分分压数
pA
pA0
P0 A
P
其中
A
31 2 1
pA
pA0
pA0 2
P
1.5 pA0
P 2
1500
0.5P
由此式可得到 A 组分分压随时间的变化数据见下表
因产物P的选择率为
S rP 2cA 2 0.6667 66.67% rP 2rR 3cA 3
所以产物P的收率为
YA S xA 0.66670.8571 0.5714 57.14%
第167页/共94页
3-9 A P T 555K, P 0.3MPa,
yA0 0.30, y惰0 0.65, FA0 6.3mol/ s,
《化学反应工程》(第四版)课后习题答案详解
（3）两个CSTR串联
VR C A0 x A1 C A0 ( x A2 x A1 ) 根据 V0 rA1 rA2
m 1 m2
C A0 x A1 C A0 ( x A2 x A1 ) kCA0 (1 x A1 )C A0 x A1 kCA0 (1 x A2 )C A0 x A2 1 ( x A2 x A1 ) ; (1 x A1 ) (1 x A2 ) x A2
x A1
0
xA2 dxA dxA 4.35 2 2 x A1 (1 x ) (1 x A1 ) A1
1 1 1 1 4.35 1 x A1 1 x A2 1 x A1 1 1 4.35; 1 x A1 1 5.35 4.35; 1 x A2 1 5.35; x A1 0.81; 1 x A1
1 1 8.314 0.7 1 ln[ / ln ] 423 T2 83.681000 1 0.7 1 0.6 1 1 8.314 0.9347 ; 423 T2 83.681000
T2 441K
习题3-5解答
C A0
1 C B 0 2.0 1.0mol / L 2 CP 0 CR 0 0; xAf CB 0 xBf 1.0 0.8 0.533 xBf 0.8; ; C A0 1.5 CA 1.5 (1 0.533) 0.7; CP CR CB0 xBf 1.0 0.8 0.8;
1 5 0.99 t2 ln 5.81(h) 4 0.615 0.307 5 (1 0.99)
分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长； 若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。
化学反应工程第二版课后习题
《化学反应工程》第二版习题0 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3 若将反应速率写成tcrddAA有什么条件 4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器5 现有如下基元反应过程请写出各组分生成速率与浓度之间关系。
1A2B??C AC?? D2A2B??C BC??D CD→E 32A2B??C AC??D 6 气相基元反应A2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc2.65×104m6kmol-2s-1。
现以气相分压来表示速率方程即??rAkPpApB2求kP假定气体为理想气体7 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。
8 反应Ag Bl→Cl气相反应物A被B的水溶液吸收吸收后A与B生成C。
反应动力学方程为??rAkcAcB。
由于反应物B在水中的浓度远大《化学反应工程》第二版习题1 于A在反应过程中可视为不变而反应物A溶解于水的速率极快以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。
试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成量。
已知k1m3kmol-1hr-1cB03kmol·m-3cA饱和0.02 kmol·m-3水溶液流量为10m3hr-1。
9 反应O2HN2NO2H222在恒容下用等摩尔H2NO进行实验测得以下数据总压/MPa 0.0272 0.0326 0.0381 0.0435 0.0543 半衰期/s 265 186 135 104 67 求此反应的级数。
10 考虑反应3PA其动力学方程为VnktnVrAAAdd1试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。
11 A和B在水溶液中进行反应在25℃下测得下列数据试确定该反应反应级数和反应速度常数。
《化学反应工程》教材课后习题答案 李绍芬 天津大学
其中 xi=yiMi/∑yiMi。进料的平均摩尔质量 Mm=∑yiMi=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：
组分 摩尔质量 摩尔分率 yi CO H2 CO2 CH4 N2 总计 其中冷凝分离后气体平均分子量为 M’m=∑yiMi=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 N2 作衡算得： 5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 对整个系统就所有物料作衡算得： 100×10.42=B+9.554A 联立（A） 、 （B）两个方程，解之得 A=26.91kmol/h 反应后产物中 CO 摩尔流量为 FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000) 将求得的 A、B 值代入得 FCO=4.431 kmol/h 故 CO 的全程转化率为 B=785.2kg/h (B) (A) 28 2 44 16 28 15.49 69.78 0.82 3.62 10.29 100
dX A dX A C A0 dVR d (VR / Q0 )
用 XA～VR/Q0 作图，过 VR/Q0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的 dXA/d(VR/Q0)值 α。 VR/Q0min 0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45 XA% 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
FCO,0 FCO 26.82 4.435 16.18% FCO,0 138.4
产物粗甲醇所溶解的 CO2、CO、H2、CH4 和 N2 总量 D 为
D
(9.82 9.38 1.76 2.14 5.38)B 0.02848Bkmol / h 1000
《化学反应工程》(朱炳辰-第五版)第五章部分课后习题答案
a
+ 1 .7 5 = 3 9 .0 7ψ
a
,将 此 式 变 为 :
− 1 . 7 5ψ
a
a
− 8 .7 7 8 = 0
解 此 方 程 得 :ψ
= 0 .4 9 6 9
5-8 由直径为 3mm 的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应,基于催化剂颗粒体积 -1 2 计算的反应速率常数为 0.8s ,有效扩散系数为 0.013cm /s,当床层高度为 2m 时,可达到所要求的转化率.为 了减小床层的压力降,改用直径为 6mm 的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计
−3
查 ” 无 机 化 工 反 应 工 程 ”P108 图 4-1 得 ε =0.45, 混 合 气 的 物 性 数 据 按 空 气 计 算 误 差 不 大 ,733K 下 , ρ =0.4832kg/m3,μ=0.034 厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:
f =
150 µ (1 − ε ) 1 5 0 × 3 .4 × 1 0 −5 (1 − 0 .4 5 ) + 1 .7 5 = 1 5 0 × + 1 .7 5 = + 1 .7 5 Re d pu0ρ 6 .0 0 5 × 1 0 −3 ( 2 1 .7 5 A −1 ) × 0 .4 8 3 2
(1 )
f =
∴
150 1− ε = 150 × µ Re d pu0 ρ
p2
f1 = d f2
/d
p1
(2)
(1),(2)式联立:
L1d p 2 d p 2 L ⎛ d p2 ∆ p1 = = 1 ⎜ ∆ p2 L 2d p1d p1 L2 ⎜ ⎝ d p1
《化学反应工程》教材课后习题答案 李绍芬 天津大学
dX A dX A C A0 dVR d (VR / Q0 )
用 XA～VR/Q0 作图，过 VR/Q0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的 dXA/d(VR/Q0)值 α。 VR/Q0min 0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45 XA% 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
1 绪 论
1.1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2CH 3OH O 2 2HCHO 2H 2O
2CH 3OH 3O 2 2CO 2 4H 2O
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。 解： （1）由（1.7）式得反应的选择性为：
2CO 4H 2 (CH 3 )2 O H 2O
CO 3H 2 CH 4 H 2O
4CO 8H 2 C4 H 9OH 3H 2O
CO H 2O CO 2 H 2
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，可凝组份变为液体 即为粗甲醇，不凝组份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 冷凝分离 合成
FCO,0 FCO 26.82 4.435 16.18% FCO,0 138.4
产物粗甲醇所溶解的 CO2、CO、H2、CH4 和 N2 总量 D 为
D
(9.82 9.38 1.76 2.14 5.38)B 0.02848Bkmol / h 1000
《化学反应工程》课后习题答案
30
40
50
60
70
试求当进口原料气体流量为50ml/min时CO的转化速率。
解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示
故反应速率可表示为：
用XA～VR/Q0作图，过VR/Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dXA/d(VR/Q0)值α。
VR/Q0min
0.12
0.148
（1）可逆反应可逆反应
（2）放热反应吸热反应
(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R点速率
(6)M点速率最大根据等速线的走向来判断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 ,如果不考虑逆反应，试问反应温度是550℃时的速率比反应温度是400℃时的速率大多少倍？
剩余的三甲基苯量：33.33×（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：
2.11在210℃等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：
1001042b9554a联立ab两个方程解之得a2691kmolhb7852kgh反应后产物中co摩尔流量为fco01549a938b281000将求得的ab值代入得fco4431kmolhco的全程转化率为co0cococo0268244352682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co01000268272100015491384kmolh所以co的单程转化率为co0cococo0268244351384产物粗甲醇所溶解的co2coh2ch4和n2总量982938176214538b002848bkmolh1000粗甲醇中甲醇的量为bdx甲mm7852002848b08915322125kmolh所以甲醇的全程收率为y总212526827924甲醇的单程收率为y单212513841536反应动力学基础21在一体积为4l的恒容反应器中进行a的水解反应反应前的含量为1223重量混合物的密度为1gml反应物a的分子量为88
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第五章 习题课1. 异丙苯在催化剂上脱烷基生成苯，如催化剂为球形，密度为ρP =1.06kg ·m -3，空隙率εP =0.52，比表面积为S g =350m 2g -1，求在500℃和101.33kPa ，异丙苯在微孔中的有效扩散系数，设催化剂的曲折因子τ=3，异丙苯−苯的分子扩散系数D AB =0.155cm 2s -1。
解1233P e 1233K AB 12370K 93P g P Vg 0s cm 10145.1310608.652.0s cm 10608.610902.61155.011111s cm 10902.612015.27350010606.548504850m 10606.510601035052.0444----------⨯=⨯⨯==⨯=⨯+=+=⨯=+⨯⨯==⨯=⨯⨯⨯===τερεD D D D D M T d D S S V d 2. 在30℃和101.33kPa 下，二氧化碳向镍铝催化剂中的氢进行扩散，已知该催化剂的孔容为V P =0.36cm 3g -1，比表面积S P =150m 2g -1，曲折因子τ=3.9，颗粒密度ρS =1.4g ·cm -3，氢的摩尔扩散体积V B =7.4cm 3mol -1，二氧化碳的摩尔扩散体积V A =26.9 cm 3mol -1，试求二氧化碳的有效扩散系数。
解()1223/13/15.05.1231B 31A 5.0B A 5.1AB 13B 113A 1A s cm 6798.007.79.263.1012144115.303436.011436.0mol cm 07.7,kmol kg 2mol cm 9.26,kmol kg 44-----=+⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+==⋅==⋅=V V p M M T D V M V M B 121270740s cm 0120.00122.016978.011s cm 0122.04415.303106.948504850cm 106.91015036.044----=+==⨯⨯===⨯=⨯⨯==D M T d D S V d K gg 12P e S g P scm 00155.09.3012.0504.0504.04.136.0-=⨯===⨯==τερεDD V 3. 在硅铝催化剂球上，粗柴油催化裂解反应可认为是一级反应，在630℃时，该反应的速率常数为k =6.01s -1，有效扩散系数为D e =7.82╳10-4cm 2s -1。
，试求颗粒直径为3mm 和1mm 时的催化剂的效率因子。
解461.10182.701.6305.03383.40182.701.6315.034114e 33S =⨯===⨯==--e S D k R D k R ϕϕ5373.0383.4101249.008.8001249.008.80461.11461.131461.1131)3(112282.0383.411461.13461.13461.13461.131S 1S S11S33=⎪⎭⎫⎝⎛--+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯--+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-====⨯-⨯⨯-⨯e e e e th ϕϕϕηϕη 4. 常压下正丁烷在镍铝催化剂上进行脱氢反应。
已知该反应为一级不可逆反应。
在500℃时，反应的速率常数为k =0.94cm 3s -1g cat -1，若采用直径为0.32cm 的球形催化剂，其平均孔径d 0=1.1╳10-8m ，孔容为0.35cm 3g -1，空隙率为0.36，曲折因子等于2.0。
试计算催化剂的效率因子。
解12P K e 1260K 1P V 3gPP s cm 003506.0236.001948.0s cm 01948.05815.773101.14850M 4850s 9673.0029.194.0cm g 029.135.036.0-----=⨯===⨯⨯⨯=⨯==⨯==⋅===τερερD D T d D k k V 7052.06577.210701.02634.140701.02634.148859.018859.0318859.018859.0003506.09673.0316.038859.038859.038859.038859.03e V S =⎪⎭⎫⎝⎛--+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯--+====⨯-⨯⨯-⨯e e e e D k R ηϕ 5. 某一级不可逆催化反应在球形催化剂上进行，已知D e =10-3cm 2s -1，反应速率常数k =0.1s -1，若要消除内扩散影响，试估算球形催化剂的最大直径。
解cm18.009.0101.033.033.0,3eV S S <<>=<-D R R D k R ϕϕ要求消除内扩散影响6. 某催化反应在500℃条件下进行，已知反应速率为：−r A =3.8╳10-9p A 2 mol ·s -1g cat -1式中p A 的单位为kPa ，颗粒为圆柱形，高╳直径为5╳5mm ，颗粒密度ρP =0.8g ·cm -3，粒子表面分压为10.133kPa ，粒子内A 组分的有效扩散系数为D e =0.025cm 2s -1，试计算催化剂的效率因子。
解()()()()()()201.097.41197.484.1525.1025.0001576.026.12555π5π5.2m kmol 001576.015.773314.8133.10m s kmol 6.125m kJ s kmolm kJ 6.125m kJ s kmol kPa 6.125m kg KK kmol kJ g s mol kPa80015.773314.8108.3s m mol m kmol :kPas mol kPa : of unit The kPa:g s mol 108.3S 2AS e V S S S 3AS AS 311V 321123-32112V 32111cat 1229V 131-2A V A 3-A A A 1cat12A 1cat12A9A =====⨯⨯⨯⨯⨯⨯='=⋅=⨯===⋅⋅=⋅=⋅⋅⋅⨯⨯⨯⨯=⋅=-⋅=⋅⋅⨯=--------------------------ϕηϕc f D k S V RT p c k k k c k r c RTc p g k p p r7. 某相对分子质量为225的油品在硅铝催化剂上裂解，反应温度为630℃、压力为101.33kPa ，催化剂为球形，直径0.176cm ，密度0.95g ·cm -3，比表面积为338m 2g -1，空隙率εP =0.46，导热系数为3.6╳10-4J ·s -1cm -1K -1；测得实际反应速率常数k V =6.33s -1；反应物在催化剂外表面处的浓度c AS =1.35╳10-5mol ·cm -3；反应热ΔH =1.6╳105J ·mol -1；活化能E =1.6╳105J ·mol -1；扩散过程属于克努森扩散，曲折因子为τ=3，试求催化剂的效率因子和颗粒内最大温差。
解1270K 74g P P gg 0s cm 005230.02559031073.548504850cm 10730.51033895.046.0444---=⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯⨯⨯===M T d D S S V d ρεK812.4106.31035.1106.11002.8)(s cm 1002.8346.000523.04554eR e max 124P Ke AS-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=∆-==∆⨯=⨯==-----λβτεc H D T T D D S 温差不大,按等温计算有效因子3346.0818.71000402.024********.02485606.21606.231606.21606.21002.833.63176.05.03606.23606.23606.23606.234e V S =⎪⎭⎫⎝⎛--+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯--+==⨯⨯==⨯-⨯⨯-⨯-e e e e D k R ηϕ8. 实验室中欲测取某气固相催化反应动力学，该动力学方程包括本征动力学与宏观动力学方程，试问如何进行？答：第一步必须确定消除内、外扩散的颗粒粒度及气流速度和装置；第二步测定本征动力学；第三步在循环反应器中测定原颗粒的宏观动力学。
9. 什么是宏观反应速率的定义式？什么是宏观反应速率的计算式？两者有何异同？ 答：定义式()()⎰⎰-=-S SSSA Ad d V V VV r R 计算式 −R A =η (−r AS )两者都反映了宏观反应速率与本征反应速率之间的关系。
颗粒内实际反应速率受颗粒内浓度、温度分布影响，用定义式是难于计算的。
计算式将过程概括为颗粒表面反应速率与效率因子的关系，而效率因子通过颗粒内扩散及浓度、温度分布的规律是可以计算的，从而得到总体颗粒的宏观速率。
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