化工反应工程答案_第二章.doc

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1g/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（h） 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 CA(mol/L) 0.9 0.61 0.42 0.28 0.17 0.12 0.08 0.045 0.03 试求反应时间为3.5h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CA～t的关系曲线，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 由（2.6）式可知反应物的水解速率为 ? 2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应： 催化剂体积为10ml，原料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变进口原料气流量Q0进行实验，测得出口CO的转化率为： Q0(ml/min) 83.3 67.6 50.0 38.5 29.4 22.2 X(%) 20 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 0.20 0.26 0.34 0.45 XA% 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 ? 故CO的转化速率为 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： （1）?? 以反应体积为基准的速率常数kV。 （2）?? 以反应相界面积为基准的速率常数kg。 （3）?? 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg。 （4）?? 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。 2.4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： 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 由（2.6）式可知 代入速率方程式 化简整理得 积分得 解得XA=82.76%。 ? 2.5氨合成塔入口的气体组成为3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。该塔是在30MPa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Fe催化剂上氨合成反应速率式为： 逆反应的活化能。450℃时，且，490℃时，Kp可按下式计算： 注：m3为标准立方米。 解：题中给出450℃时的k2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k2值。 利用（2.27）试，求出频率因子A: 490℃的Kp值由题给公式计算出 求k1值： 求各组分的分压值： 各组分的分率及分压值为 NH3 10% pNH3=3MPa N2 19.06% pN2=5.718MPa H2 57.18% pH2=17.15MPa Ar+ CH4 13.79% pAr+ CH4=4.137MPa 反应速率为： 2.6下面是两个反应的T-X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？ （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 图2.2 （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