反应工程习题2.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，测得组分A的浓度随时间变化的数据如下： 反应时间 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 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3.5 h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=3.5 h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： 83.3 67.6 50.0 38.5 29.4 22.2 20 30 40 50 60 70 试求当进口原料气体流量为50mL/min 时CO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=0.20 min 的点作切线，即得该条件下的dXA/d (VR/Q0) 值a。 VR/Q0/min 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/(kg·h)，若催化剂的比表面为30 m2/g，堆密度为1.13 g/cm3，试计算： 以反应体积为基准的速率常数 以反应相界面积为基准的速率常数 以分压表示反应物系组成时的反应速率常数 以摩尔浓度表示反应物系组成时的反应速率常数 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) （2） （3） （4） 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 3 mol/L 的原料混合进行反应，求反应 4min 时A的转化率。 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 由式（2.6）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 5.89% 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： 逆反应的活化能。450℃时，且,490℃时，Kp 可按下式计算： 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： 490℃时的Kp值由题给公式计算出 求k1值： 求各级分的分压值： 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 NH3 3.5 0.1 y N2 20.87 20.87- 0.5(0.1 y –3.5) H2 62.6 62.6- 1.5(0.1 y – 3.5) Ar 7.07 7.07 CH4 5.89 5.89 反应后的总摩尔数为： 解得y=94 mol 各组分的分率及分压值为： NH3 10% N2 19.06% H2 57.18% Ar + CH4 13.79% 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。根据下面两个图回答： 是可逆反应还是不可逆反应？ 是放热反应还是吸热反应？ 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？ 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？ 在C，R两个点中，谁的速率大？ 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。