1、反應(yīng)工程計算及推導(dǎo)考試題2在銀催化劑上進(jìn)行甲的醇應(yīng)：2CH3OH+O2 2HCHO+2H2O2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2： 4： 1.3（摩爾比），反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72% 。甲醇的收率為 69.2%。試計算（ 1）反應(yīng)的選擇性； （ 2）反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（ 1）由（ 1.7）式得反應(yīng)的選擇性為S=Y/X=0.692/0.720=0.9611=96.11%(2)進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2： 4： 1.3（摩爾比），當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料為100mol 時，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0 摩爾數(shù) ni0（

2、 mol ）空氣（ O2：11.51，N2：43.28） 水總計 1100XA ，甲醇的收率為YP ，根據(jù)（ 1.3）和（ 1.5）式可得反應(yīng)器出口甲醇，甲醛和二氧化碳摩設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為為爾數(shù) nA ， np， nC，分別為nA=nA0(1 XA)=7.672molnp= nA0YP=18.96molnC= nA0(XA YP)=0.7672 mol綜上所述反應(yīng)的化學(xué)計量式水（nW ）,氧氣（ nO，和氮氣（ nN）的摩爾數(shù)為nW= nW0+ nP+2 nC=38.30 molnO= nO0 1/2 np 3/2nC=0.8792molnN=nN0=43.28mol所以，反應(yīng)器出口氣體組成為

3、.3.在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動力學(xué)研究中，采用B106 催化劑進(jìn)行試驗，測得正反應(yīng)活化能為9.629104J/mol ，如果不考慮逆反應(yīng)，在反應(yīng)物料組成相同的情況下，試問反應(yīng)溫度為550時的速率比反應(yīng)溫度為400時的反應(yīng)速率大多少倍？解：從題中可知，反應(yīng)條件除了溫度不同外，其他條件都相同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù) k 上，故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來描述反應(yīng)速率之比。r550/r400=k550/k400=Aexp( E/RT550)/ Aexp( E/RT400)=expE/R(1/T400 1/T550)=23( 倍 )4. 甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750等溫下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：原料氣中甲烷

4、與水蒸氣的摩爾比為1:4，若是這個反應(yīng)對各反應(yīng)物均為1 級。已知 k 2 L molS 。試求： （ 1）反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa，當(dāng)反應(yīng)器出口的CH4 轉(zhuǎn)化率為 80時， CO2,H2 的生成速率是多少？（ 2）反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如（1）， 的生成速率又是多少？解：（ 1）由題意可將反應(yīng)速率表示為A+2B C +4DrC=kCACB 對于恒容過程，則有CA=CA0(1 XA)CB-=CB0 2CA0XACA0=PA0/RT=2.382 10-3mol/lCB0=4CA0=9.528 10-3 mol/l當(dāng) XA=0.8 時 CA= CA0(1 XA)=4.

5、764 10-4 mol/lCB-=CB0 2CA0XA=5.717 10-3 mol RC=rC=kCACB=5.447 10-6mol/（ l?S） RD=4rC=2.179 10-5 mol/（ l?S）（ 2）對于恒壓過程， 是個變?nèi)莘磻?yīng)過程， 由（ 2.49）式可求出總摩爾的變化數(shù) A= t/A=（ 1+4 1 2）/1=2反應(yīng)物 A 的原始分率： A0=1/(1+4)=0.2由（ 2.52）式可得轉(zhuǎn)化率為80%時的濃度：CA=CA0(1 XA)/(1+ A yA0 XA)=3.609 10-4mol/lCB-= （ CB0 2CA0XA ） /(1+ A yA0 XA)=4.331

6、10-3 mol/lrC= kCACB=3.126 10-6mol/(l.s)RC=rC=3.126 10-6mol/(l.s)5.擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：以生產(chǎn)乙二醇， 產(chǎn)量為 20kg/h ，使用 15（質(zhì)量分率） 的 NaHCO3水溶液及 30（質(zhì)量分率）的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇與碳酸氫鈉的摩爾比為1:1，混合液的密度為 1.02kg/L 。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫鈉均為1 級，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于5.2L/(mol*h) ，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95。（ 1）若輔助時間為0.5h，試計算反應(yīng)器的有效體積；（ 2）若裝填系數(shù)取0.75，試計算反應(yīng)器的實際

7、體積。解：（ 1）氯乙醇，碳酸氫鈉和乙二醇的分子量分別為80.5， 84，62每小時產(chǎn)乙二醇： 20/62=0.3226kmol/h每小時需氯乙醇： 0.3226 80.5/0.95 30%=91.11 kg/h每小時需碳酸氫鈉： 0.3226 84/0.95 15%=190.2kg/h原料體積流量： Q0=（ 91.11+190.2） /1.02=275.8l/h氯乙醇初始濃度： CA0=0.3226 1000/0.95 275.8=1.231mol/l反應(yīng)時間：反應(yīng)體積： Vt= Q0 （ t+t ） =956.5 L反應(yīng)器的實際體積：V= Vt/j=1275 L7.在一個體積為 300

8、L 的反應(yīng)器中， 86等溫下將濃度為 3.2 mol/L的過氧化氫異丙苯溶液分解生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為 1 級反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08 s-1，最終轉(zhuǎn)化率達(dá) 98.9，如果這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15 min ，試計算苯酚的產(chǎn)量。解：t=Ln 1/ （ 1 XA ） /k =56.37s =0.94minVr=Q0(t+t0)=300 LQ0=300/15.94=18.82 L/min苯酚濃度C 苯酚 =CA0XA=3.2 0.989=3.165 mol/L苯酚產(chǎn)量Q0C 苯酚 =18.82 3.165=59.56mol/min=335.9kg/h反應(yīng)工

9、程計算及推導(dǎo)考試題8. 在管式反應(yīng)器中 400等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化能等于39.77。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下（采用等溫操作），增產(chǎn) 35，請你擬定一具體措施（定量說明） 。設(shè)氣體在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。t=vr/qo 可知， Q0 與反應(yīng)速率常數(shù)成解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下式：正比，而改變反應(yīng)溫度又只與k 有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)，具體值為： q1/q2=k1/k2解此式可得： T2=702.7 K ，即把反應(yīng)溫度提高到702.7 K 下操作，可增產(chǎn)35%9.設(shè)氣體 A為催化劑的吸附位吸附 ：A

10、+ = A ，若為理想吸附， KA 為吸附平衡常數(shù)， A 為表面覆蓋率，則吸附等溫方程為：一氧化碳變換反應(yīng):試擬定該反應(yīng)的合適的反應(yīng)步驟。:r=KsQaPb 就代表了整個反應(yīng)的速率解：根據(jù)題意，假設(shè)反應(yīng)步驟如下：并假設(shè)第二步是控制步驟，其速率方程方程：其余的兩步可認(rèn)為達(dá)到平衡，則有：Qa=KaPAQVQc=由于 QA+QC+QV=1, 有：將 QAQC, 代入速率式，得：式中。故上述假定與題意符合。（ 2）6.等溫下進(jìn)行1.5 級液相不可逆反應(yīng)：A B+C ，反應(yīng)速率常數(shù)等于， A 的濃度為2 kmol/m3 的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為 1.5 m3/h 。試分別計算下列情況下A 的轉(zhuǎn)化率達(dá)9

11、5時所需的反應(yīng)體積：（ 1）一個連續(xù)釜式反應(yīng)器；（ 2）兩個等體積的連續(xù)釜串連釜式反應(yīng)器；（3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下，兩個連續(xù)釜式反應(yīng)器并聯(lián)。解：（ 1）全混流反應(yīng)器VQ 0 CAO xA1. 520 .9518 . 02 m 3（ 2）兩個等體積全混反應(yīng)器串聯(lián)1 .51 .5r1 . 51 . 55210 .95kC AO 1x A由于kC AOVr1=Vr21xA1所以kC由AO1上xA2二式得：X A2=0.95 代入上式，化簡后得到XA1=0.8245，所以：VQ0C AOx AQ 0 CAOx A 2x A 1r 11 . 5V r 21 . 51 . 51 . 5串聯(lián)系統(tǒng)總體

12、積為Vr=2Vr1=4.1 x A 11xA 2758m3x A 1x A1x A 2（ 3r1）kCAO此1xA1時的情況同（1），即 Vr= 18.02m31 .1 .5VQ0 C AO xA1 2 .379 m 31 51 51.推導(dǎo)題對氣 -固催化反應(yīng) A + B = C ，其可能的反應(yīng)機理如下：AABBABCCC試導(dǎo)出其速率方程表達(dá)式。答：因為第三步為控制步驟，所以其它各反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)。則 rk SA PBk sc因為 1， 2， 4 步達(dá)到平衡，所以有Ak A PAA ,BK B PBB ,CK C PCC又ABVC1,AK APAKBPB KCPC1 KAPA解得CKCPC1

13、 KAPAK BPBKCPC將之帶入前面的方程得rK 1PAPBK2 PC1 KAPAKBPBKCPC其中K1KSKA,K 2KSKC2.在 Pt 催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)C6H 5CHCH 3C6H 6 C3H 6以 A 、 B 及 R 分別代表異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：AA, ABR ,BB反應(yīng)工程計算及推導(dǎo)考試題若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。答： rA= K1 A K2PR B由于 A+ B+ =1將 A ， B 代人上式得KA PA + KB PB + =1整理得： =1/（ 1+KA PA+KB PB ）將 A ， B ，代人速率方程中rA=k （ PAPBPR） /KP/（1+KA PA+KB PB ）其中 k= K1 KA ， KP= K1 KA/ K2 KB10. 在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)：2C2 H 4O22C 2 H 4O化作： 2AB 22R，其反映步驟如下：AA,B222B,ABR,RR若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動力學(xué)方程。試推導(dǎo)說明可逆吸熱反應(yīng)的速率總是隨著溫度的升高而增加。答： AA,AKAPA VB 2 22 B,BKBPBVRR, RKRPR V以表面反應(yīng)速率方程來表示整個反應(yīng)方程：V