反應(yīng)工程 課后題 詳解

1、2.22.2在一管式反應(yīng)器中常壓在一管式反應(yīng)器中常壓300300等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)：等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)： 催化劑體積為催化劑體積為10ml10ml，原料氣中，原料氣中COCO的含量為的含量為3%3%，其余為，其余為N N2 2,H,H2 2氣體，改變進(jìn)口原料氣流量氣體，改變進(jìn)口原料氣流量Q Q0 0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得出口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得出口COCO的轉(zhuǎn)化率為：的轉(zhuǎn)化率為：試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為50cm50cm3 3/min/min時(shí)時(shí)COCO的轉(zhuǎn)化速率。的轉(zhuǎn)化速率。OHCHHCONi2423Q Q0 0(ml/min)(ml/min)83.383.367.667.650

2、.050.038.538.529.429.422.222.2X(%)X(%)202030304040505060607070解題思路： 由流動(dòng)反應(yīng)器模型反應(yīng)速率由流動(dòng)反應(yīng)器模型反應(yīng)速率r rA A表達(dá)式變表達(dá)式變換可知，求出換可知，求出X XA AV VR R/Q/Q0 0和和CAO的值；便可求出的值；便可求出COCO的轉(zhuǎn)化速率的轉(zhuǎn)化速率 由流動(dòng)反應(yīng)器模型反應(yīng)速率公式可知由流動(dòng)反應(yīng)器模型反應(yīng)速率公式可知 故反應(yīng)速率可表示為：故反應(yīng)速率可表示為：00000(1)(1) AARAAAAAAAAdFrdVFFXQ CXdFQ CdX0000(/) AAAAARRdXdXrQ CCdVd VQ 故故C

3、OCO的轉(zhuǎn)化速率為：的轉(zhuǎn)化速率為： 6.386.381010-4-41.8657=1.191.8657=1.191010-3-3mol/lmol/l40030.10130.036.3810/8.31410573 AAPCmol lRT43006.38 101.791.14 10/ .min(/) AAARdXrCmol ld VQ2.52.5氨合成塔入口的氣體組成為氨合成塔入口的氣體組成為3.5%NH3.5%NH3 3,20.8,20.87 7%N%N2 2，62.6%H62.6%H2 2，7.08%Ar7.08%Ar及及5.89%CH5.89%CH4 4。該塔是在。該塔是在30MPa30MP

4、a壓力下操作。已知催化壓力下操作。已知催化劑床層中某處的溫度為劑床層中某處的溫度為490490，反應(yīng)氣體中氨含量為，反應(yīng)氣體中氨含量為10%10%（molmol），試計(jì)算該處的反應(yīng)速率。在），試計(jì)算該處的反應(yīng)速率。在FeFe催化劑上氨合成反催化劑上氨合成反應(yīng)速率式為：應(yīng)速率式為：322321.531.512/ NHHNNHHpprk pkkmol mhpp逆反應(yīng)的活化能，逆反應(yīng)的活化能， 450450時(shí)時(shí) 1.021.02105kmolPa105kmolPa0.50.5/ /（m mhh）時(shí)，）時(shí)，且且 ，490時(shí)，Kp可按下式計(jì)算：417.58 10/ EJ mol30.5322277()

5、/ km M Pam h22/1pKkk472log2047.8/2.4943log1.256 101.8564 103.206 pKTTTT解題思路解題思路 由題目所給反應(yīng)速率式可知，要求得反應(yīng)速由題目所給反應(yīng)速率式可知，要求得反應(yīng)速率，需知各組分分率和分壓以及率，需知各組分分率和分壓以及k k1 1 k k2 2的值。的值。 而題中給出的而題中給出的k k2 2值為值為450450，所以先求出，所以先求出490490時(shí)時(shí)k k2 2的值，再由題中給出公式求出的值，再由題中給出公式求出k k1 1的值。的值。 然后求出各組分分率及分壓，帶入反應(yīng)速率然后求出各組分分率及分壓，帶入反應(yīng)速率式即可

6、求出結(jié)果。式即可求出結(jié)果。 由阿倫尼烏斯方程可知由阿倫尼烏斯方程可知可得指前因子可得指前因子A:A: =0.513 =0.51310101818 490490時(shí)時(shí) =4.73105 )/exp(2RTEAk)/exp(2RTEkA)723314.8/(10758.1551002.1e)/exp(2RTEAk)763314.8/(10758.1185e10513.0490的的Kp值由題給公式計(jì)算值由題給公式計(jì)算出出求k1值： =(5.=(5.5925921010-2-2) )2 24.734.7310105 5 = =1.481.4810103 34722log2047.8/763 2.4943

7、log763 1.256 10763 1.8564 107633.2061.25245.592 10 ppKK2211222 2431.531(5.592 10 )1.055 1033()/. ppkKkK kkkmMPam h 求各組分的分壓值：設(shè)設(shè)N N2 2為組分為組分1 1，H H2 2為組分為組分2 2，NHNH3 3為組分為組分3 3 p pi i = y = yi i P P2233122 NHNHAAAoAAoAiioiXyXppp1AAAoAAoAiioiXyXyyy1轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化1mol1mol時(shí)反應(yīng)混合物總摩爾數(shù)的變化時(shí)反應(yīng)混合物總摩爾數(shù)的變化221212311123A由題意

8、得yAo=y1o=20.87%，y2o=62.6%，y3o=3.5%，y3=105716. 0.14160*(-2)*2087. 01.14160*2087. 0*3-626. 0 1y13yy1904. 0 .14160*(-2)*2087. 01)1416. 0-(12087. 0 1yyy1416. 05 . 6914.45*(-2)*2087. 01*2087. 0*211035. 010. 01yyy22123211 %87.20Py , 1yyy1000HH000AA00R0RR0000000）（，AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAiiAAAAAAiiiAAAAAAiii

9、XyXXyXXXXXXyXypXyXXyXpppAAAoAAoAoXyXyyy1333AAAoAAoAoXyXyyy11115716. 0.14160*(-2)*2087. 01.14160*2087. 0*3-626. 0 1y13yy1904. 0 .14160*(-2)*2087. 01)1416. 0-(12087. 0 1yyy1416. 05 . 6914.45*(-2)*2087. 01*2087. 0*211035. 010. 01yyy22123211 %87.20Py , 1yyy1000HH000AA00R0RR0000000）（，AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

10、AAiiAAAAAAiiiAAAAAAiiiXyXXyXXXXXXyXypXyXXyXppp 各組分的分率及分壓值為 帶入反應(yīng)速率式可得：NH310%pNH3=3MPaN219.06%pN2=5.718MPaH257.18%pH2=17.15MPaAr+ CH413.79%pAr+ CH4=4.137MPa）hmkmolppkpppkrHNHNHHN/(35 . 125 . 112332255.155.1310804.115.173104.73315.17718.5101.482.8 0.103MPa壓力下，在釩催化劑上進(jìn)行SO2氧化反應(yīng)，原料氣摩爾組成為7%SO2,11%O2，及82%N2。

11、試計(jì)算轉(zhuǎn)換率為80%時(shí)的最佳溫度。二氧化硫在釩催化劑上氧化的正反應(yīng)活化能為9.211104J/mol，化學(xué)計(jì)量數(shù)等于1/2，反應(yīng)式為： ,它的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為： 。該反應(yīng)的熱效應(yīng)Hr=-9.629104J/mol。32221SOSOO 1455. 45 .4905lgTKD 解題思路：解題思路：根據(jù)求最佳溫度的公式（2.37）：欲求最佳溫度Top，我們需要先得到平衡溫度Te及正逆反應(yīng)的活化能。題目中給出了平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系，所以，我們只要求出平衡常數(shù)，就可以算出平衡溫度Te。并且，已知 和Hr，由公式（2.31）：就可求出 ,進(jìn)而求出Top。EEEERTTTeeopln1ErHvEE1

12、E解： 1、求出轉(zhuǎn)換率為80%時(shí)各組分的分壓，通過各組分的分壓求得平衡常數(shù)。以100mol為基準(zhǔn)所以，平衡常數(shù)KD為：X X（轉(zhuǎn)化率）（轉(zhuǎn)化率）SOSO2 2O O2 2SOSO3 3N N2 20 07.07.011.011.00 082.082.0100.0100.00.80.87 7（1-0.81-0.8）=1.4=1.411-5.611-5.60.50.5=8.2=8.25.65.682.082.097.297.2MPaPyPSOSO3-101.48=2 .974 . 1103. 022MPaPyPOO3-108.69=2 .972 . 8103. 022MPaPyPSOSO3-105

13、.95=2 .976 . 5103. 033 代入題中給出的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式得:求出:13.431069. 81048. 1105.955 . 033-35 . 0223OSOSODPPPK1455. 45 .4905lgeDTKKKTDe7 .8481455. 4lg5 .4905 2、利用公式(2.31)求逆反應(yīng)活化能E已知 =9.211104J/mol、 、Hr=-9.629104J/mol 。代入解得：所以，最佳溫度為：E、21vrHvEE1molJvHEEr/108469. 22110629. 910211. 9544KEEEERTTTeeop0 .815211. 9469.2

14、8ln10211. 9469.287 .848314. 817 .848ln14 2.122.12甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750750等溫下的轉(zhuǎn)等溫下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：化反應(yīng)為：原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為1 1：4 4，若這個(gè)反，若這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)，已知應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)，已知k=2mk=2m3 3/(kmol.s),/(kmol.s),試求：試求：（1 1）反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為）反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa0.1013MPa，當(dāng)反應(yīng)器出口的，當(dāng)反應(yīng)器出口的CHCH4 4轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為80

15、%80%時(shí)，時(shí)，COCO2 2和和H H2 2的生成速率是多少？的生成速率是多少？（2 2）反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如（）反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如（1 1），），COCO2 2的的生成速率又是多少？生成速率又是多少？422224 CHH OCOH 解題解題思路思路根據(jù)冪函數(shù)型速率方程，由于這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)，得到速率方程為：題目中已知速率常數(shù)k，只要求得CA、CB就能算出組分的反應(yīng)速率。恒容過程時(shí)只需考慮nA隨XA的變化即可，根據(jù)公式（2.44） （2.45） 可求出CA ，CB恒壓過程時(shí)，反應(yīng)混合物的體積隨轉(zhuǎn)化率而變，先根據(jù)公式（2.49）求出轉(zhuǎn)化1mol時(shí)，反應(yīng)混合物總摩爾的

16、變化，再根據(jù)公式（2.44） （2.45） （2.50） 求出CA ，CB,從而求出反應(yīng)速率。24 CABABCDrkC C 解：（解：（1）由題意可將反應(yīng)速率表示為：）由題意可將反應(yīng)速率表示為：對(duì)于恒容過程，則有：對(duì)于恒容過程，則有：24 CABABCDrkC C00030033300(1)20.10130.22.382 10/8.314 101023442.382 109.528 10/ AAABBAAAABACCXCCCXPCmol lRTCCmol l當(dāng)當(dāng)XA0=0.8時(shí)時(shí) 3403330043665(1) 2.382 100.2 4.764 10/29.528 102 2.382 1

17、00.8 5.717 10/2 4.764 105.717 105.447 10/ .44 5.447 102.179 10/ . AAABBAACCABDCCCXmol lCCC Xmol lRrkC Cmol l sRrmol l s（2）對(duì)于恒壓過程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過程，求）對(duì)于恒壓過程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過程，求得總摩爾數(shù)的變化：得總摩爾數(shù)的變化：反應(yīng)物反應(yīng)物A的原始分率：的原始分率：1412/21 AtA010.214 Ay 轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的濃度：時(shí)的濃度：3400(1)2.382 10 (10.8)3.609 10/1120.20.8 AAAAAACXCmol lyX335000

18、29.528 102 2.382 100.84.331 10/11 2 0.2 0.8 BAABAAACC XCmol ly X45662 3.609 104.331 103.126 10/ .3.126 10/ . AABCCrkC Cmol l sRrmol l s 2.142.14在在PtPt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以以A,BA,B及及R R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：步驟如下：（1 1）（2 2）（3 3）若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。分解的速率方程。 AA ABR BB 解題解題思路：思路：1.1.吸附吸附2.2.反應(yīng)反應(yīng)3.3.脫附脫附 此時(shí)第二步為速率控制步驟，該步的速率即等于反應(yīng)速率。 將質(zhì)量作用定律作用于第二步，即可求得該步的反應(yīng)速率。 AA ABR BB解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原