反应工程 课后题 详解

1、2.22.2在一管式反应器中常压在一管式反应器中常压300300等温下进行甲烷化反应：等温下进行甲烷化反应： 催化剂体积为催化剂体积为10ml10ml，原料气中，原料气中COCO的含量为的含量为3%3%，其余为，其余为N N2 2,H,H2 2气体，改变进口原料气流量气体，改变进口原料气流量Q Q0 0进行实验，测得出口进行实验，测得出口COCO的转化率为：的转化率为：试求当进口原料气体流量为试求当进口原料气体流量为50cm50cm3 3/min/min时时COCO的转化速率。的转化速率。OHCHHCONi2423Q Q0 0(ml/min)(ml/min)83.383.367.667.650

2、.050.038.538.529.429.422.222.2X(%)X(%)202030304040505060607070解题思路： 由流动反应器模型反应速率由流动反应器模型反应速率r rA A表达式变表达式变换可知，求出换可知，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的转化速率的转化速率 由流动反应器模型反应速率公式可知由流动反应器模型反应速率公式可知 故反应速率可表示为：故反应速率可表示为：00000(1)(1) AARAAAAAAAAdFrdVFFXQ CXdFQ CdX0000(/) AAAAARRdXdXrQ CCdVd VQ 故故C

3、OCO的转化速率为：的转化速率为： 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氨合成塔入口的气体组成为氨合成塔入口的气体组成为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。该塔是在。该塔是在30MPa30MP

4、a压力下操作。已知催化压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为剂床层中某处的温度为490490，反应气体中氨含量为，反应气体中氨含量为10%10%（molmol），试计算该处的反应速率。在），试计算该处的反应速率。在FeFe催化剂上氨合成反催化剂上氨合成反应速率式为：应速率式为：322321.531.512/ NHHNNHHpprk pkkmol mhpp逆反应的活化能，逆反应的活化能， 450450时时 1.021.02105kmolPa105kmolPa0.50.5/ /（m mhh）时，）时，且且 ，490时，Kp可按下式计算：417.58 10/ EJ mol30.5322277()

5、/ km M Pam h22/1pKkk472log2047.8/2.4943log1.256 101.8564 103.206 pKTTTT解题思路解题思路 由题目所给反应速率式可知，要求得反应速由题目所给反应速率式可知，要求得反应速率，需知各组分分率和分压以及率，需知各组分分率和分压以及k k1 1 k k2 2的值。的值。 而题中给出的而题中给出的k k2 2值为值为450450，所以先求出，所以先求出490490时时k k2 2的值，再由题中给出公式求出的值，再由题中给出公式求出k k1 1的值。的值。 然后求出各组分分率及分压，带入反应速率然后求出各组分分率及分压，带入反应速率式即可

6、求出结果。式即可求出结果。 由阿伦尼乌斯方程可知由阿伦尼乌斯方程可知可得指前因子可得指前因子A:A: =0.513 =0.51310101818 490490时时 =4.73105 )/exp(2RTEAk)/exp(2RTEkA)723314.8/(10758.1551002.1e)/exp(2RTEAk)763314.8/(10758.1185e10513.0490的的Kp值由题给公式计算值由题给公式计算出出求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 求各组分的分压值：设设N N2 2为组分为组分1 1，H H2 2为组分为组分2 2，NHNH3 3为组分为组分3 3 p pi i = y = yi i P P2233122 NHNHAAAoAAoAiioiXyXppp1AAAoAAoAiioiXyXyyy1转化转化1mol1mol时反应混合物总摩尔数的变化时反应混合物总摩尔数的变化221212311123A由题意

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 各组分的分率及分压值为 带入反应速率式可得：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压力下，在钒催化剂上进行SO2氧化反应，原料气摩尔组成为7%SO2,11%O2，及82%N2。

11、试计算转换率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为9.211104J/mol，化学计量数等于1/2，反应式为： ,它的平衡常数与温度的关系为： 。该反应的热效应Hr=-9.629104J/mol。32221SOSOO 1455. 45 .4905lgTKD 解题思路：解题思路：根据求最佳温度的公式（2.37）：欲求最佳温度Top，我们需要先得到平衡温度Te及正逆反应的活化能。题目中给出了平衡常数与温度的关系，所以，我们只要求出平衡常数，就可以算出平衡温度Te。并且，已知 和Hr，由公式（2.31）：就可求出 ,进而求出Top。EEEERTTTeeopln1ErHvEE1

12、E解： 1、求出转换率为80%时各组分的分压，通过各组分的分压求得平衡常数。以100mol为基准所以，平衡常数KD为：X X（转化率）（转化率）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 代入题中给出的平衡常数与温度的关系式得:求出:13.431069. 81048. 1105.955 . 033-35 . 0223OSOSODPPPK1455. 45 .4905lgeDTKKKTDe7 .8481455. 4lg5 .4905 2、利用公式(2.31)求逆反应活化能E已知 =9.211104J/mol、 、Hr=-9.629104J/mol 。代入解得：所以，最佳温度为：E、21vrHvEE1molJvHEEr/108469. 22110629. 910211. 9544KEEEERTTTeeop0 .815211. 9469.2

14、8ln10211. 9469.287 .848314. 817 .848ln14 2.122.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及甲烷与水蒸气在镍催化剂及750750等温下的转等温下的转化反应为：化反应为：原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1 1：4 4，若这个反，若这个反应对各反应物均为一级，已知应对各反应物均为一级，已知k=2mk=2m3 3/(kmol.s),/(kmol.s),试求：试求：（1 1）反应在恒容下进行，系统的初始总压为）反应在恒容下进行，系统的初始总压为0.1013MPa0.1013MPa，当反应器出口的，当反应器出口的CHCH4 4转化率为转化率为80

15、%80%时，时，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）反应在恒压下进行，其他条件如（）反应在恒压下进行，其他条件如（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 解题解题思路思路根据幂函数型速率方程，由于这个反应对各反应物均为一级，得到速率方程为：题目中已知速率常数k，只要求得CA、CB就能算出组分的反应速率。恒容过程时只需考虑nA随XA的变化即可，根据公式（2.44） （2.45） 可求出CA ，CB恒压过程时，反应混合物的体积随转化率而变，先根据公式（2.49）求出转化1mol时，反应混合物总摩尔的

16、变化，再根据公式（2.44） （2.45） （2.50） 求出CA ，CB,从而求出反应速率。24 CABABCDrkC C 解：（解：（1）由题意可将反应速率表示为：）由题意可将反应速率表示为：对于恒容过程，则有：对于恒容过程，则有：24 CABABCDrkC C00030033300(1)20.10130.22.382 10/8.314 101023442.382 109.528 10/ AAABBAAAABACCXCCCXPCmol lRTCCmol l当当XA0=0.8时时 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）对于恒压过程，是个变容反应过程，求）对于恒压过程，是个变容反应过程，求得总摩尔数的变化：得总摩尔数的变化：反应物反应物A的原始分率：的原始分率：1412/21 AtA010.214 Ay 转化率为转化率为80%时的浓度：时的浓度：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催化剂上进行异丙苯分解反应：催化剂上进行异丙苯分解反应：以以A,BA,B及及R R分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：步骤如下：（1 1）（2 2）（3 3）若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯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。分解的速率方程。 AA ABR BB 解题解题思路：思路：1.1.吸附吸附2.2.反应反应3.3.脱附脱附 此时第二步为速率控制步骤，该步的速率即等于反应速率。 将质量作用定律作用于第二步，即可求得该步的反应速率。 AA ABR BB解：根据速率控制步骤及定态近似原