反应工程作业题答案[精选].doc

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 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： （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 组分 摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol) CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为： nA=nA0(1-XA)=7.672 mol nP=nA0YP=18.96 mol nC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为： nW=nW0+nP+2nC=38.30 mol nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 mol nN=nN0=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为： 组分 摩尔数（mol） 摩尔分率% CH3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H2O 38.3 34.87 CO2 0.7672 0.6983 O2 0.8788 0.7999 N2 43.28 39.39 ? 2.3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： 式中yCO和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化剂的比表面积为30m2/g，堆密度为1.13g/cm3，试计算： ?? 以反应体积为基准的速率常数kV。 ?? 以反应相界面积为基准的速率常数kg。 ?? 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。 ?? 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC。 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换算成m2/m3。 2.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应： 以A,B及R分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下： （1） （2） （3） 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： 以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程： 由于 将代入上式得： 整理得： 将代入速率方程中 其中 ? 2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应： 化作 其反应步骤可表示如下： （1） （2） （3） （4） 若是第三步是速率控制步骤，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： 整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示： 根据总覆盖率为1的原则，则有： 或 整理得： 将代入反应速率方程，得： 其中 2.16设有反应，其反应步骤表示如下： （1） （2） （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： 由于（1）是速率控制步骤，第（2）步是不可逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有： 整理得： 根据定态近似原则 因为 将代入上式，化简后得： 最后将代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式。 2.17一氧化碳变换反应： 在较低温度下，其动力学方程可表示为： 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： 并假设第二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程： 其余的两步可认为达到平衡，则有： 由于，有： 将代入速率式，得： 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。 ? 3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始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）?? 当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？ （2）?? 若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？ 解：（1） (2) 因为间歇反应器的反应时间