反应工程计算题模板.docx

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1 有一反应在间歇反应器中进行, 经过8min后, 反应物转化掉80％, 经过18min后, 转化掉90％, 求表示此反应的动力学方程式。
解

2 反应, 在恒容下用等摩尔H2, NO进行实验, 测得以下数据
总压/MPa
0.0272
0.0326
0.0381
0.0435
0.0543
半衰期/s
265
186
135
104
67
求此反应的级数。
解

Y=A+B*X
Parameter
Value
Error
A
1.60217
0.01399
B
-1.9946
0.00834

3 A和B在水溶液中进行反应, 在25℃下测得下列数据, 试确定该反应反应级数和反应速度常数。
时间/s
116.8
319.8
490.2
913.8
1188
∞
cA/kmol·m-3
99.0
90.6
83.0
70.6
65.3
42.4
cB/kmol·m-3
56.6
48.2
40.6
28.2
22.9
0
解
由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B→产物进行
设为二级反应
积分得:
以对t作图若为直线, 则假设正确。
由cA0-cB0=42.4整理得数据如下:
t
116.8
319.8
490.2
913.8
1188

0.0132
0.0149
0.0169
0.0216
0.0247
线性回归:
Y=A+B*X
Parameter
Value
Error
A
0.01166
1.84643E-4
B
1.08978E-5
2.55927E-7

4 在间歇搅拌槽式反应器中, 用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯, 反应式为:

反应物配比为: A(mol):B(mol)=1:4.97, 反应在100℃下进行。A转化率达50％需要时间为24.6min, 辅助生产时间为30min, 每天生产2400kg醋酸丁酯( 忽略分离损失) , 计算反应器体积。混合物密度为750kg·m-3, 反应器装填系数为0.75。
解

5 液相一级不可逆分解反应A→B+C于常温下在一个2m3全混流反应器( CSTR, MFR, 连续搅拌槽式反应器) 中等温进行。进口反应物浓度为1kmol·m-3, 体积流量为1m3hr-1, 出口转化率为80%。因后续工段设备故障, 出口物流中断。操作人员为此紧急停止反应器进料。半小时后故障排除, 生产恢复。试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少?
解

6 反应A+B→R+S, 已知VR=0.001m3, 物料进料速率V0=0.5×10-3m3min-1, cA0=cB0=5mol·m3, 动力学方程式为−rA=kcAcB, 其中k=100m3kmol-1min-1。求: (1)反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少? (2)欲用全混流反应器得到相同的出口转化率, 反应器体积应多大?(3)若全混流反应器体积VR=0.001m3, 可达到的转化率为多少?
已知k=1m3kmol-1hr-1, cB0=3kmol·m-3, cA饱和=0.02kmol·m-3, 水溶液流量为10m3hr-1。
解
平推流

(1) 全混流

(2)
第二章
3.一级反应A→P, 在一体积为VP的平推流反应器中进行, 已知进料温度为150℃, 活化能为84kJ·mol-1, 如改用全混流反应器, 其所需体积设为Vm, 则Vm/Vp应有何关系?当转化率为0.6时, 如果使Vm=Vp, 反应温度应如何变化?如反应级数分别为n=2, 1/2, −1时, 全混流反应器的体积将怎样改变?
解:

1. 可逆一级液相反应, 已知; 当此反应在间歇反应器中进行, 经过8min后, A的转化率为33.3%, 而平衡转化率是66.7%, 求此反应的动力学方程式。
解

2. 自催化反应A+P→2P的速率方程为: −rA=kcAcP, k=lm3kmol-1min-1, 原料组成为含A13%, 含P1%( 摩尔百分数) 且cA0+cP0=lkmol·m-3, 出口流中cP=0.9kmol·m-3, 计算采用下列各种反应器时的空间时间(τ=VR/V0)。(1)平推流反应器; (2)全混流反应器; (3)平推流与全混流反应器的最佳组合; (4)全混流反应器与一分离器的最佳组合。
解

3. 一级不可逆连串反应, k1=0.25hr-1, k2=0.05hr-1, 进料流率V0为1m3hr-1, cA0=1kmol·m-3, cB0=cC0=0。试求: 采用两个VR=1m3的全混流反应器串联时, 反应器出口产物B的浓度。
解

4. 某气相基元反应:
A+2B→P
已知初始浓度之比cA0:cB0=1:3, 求的关系式。
解

5. 高温下二氧化氮的分解为二级不可逆反应。在平推流反应器中101.3kPa下627.2K时等温分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1, 处理气量为120m3hr-1( 标准状态) , 使NO2分解70%。当(1)不考虑体积变化; (2)考虑体积变化时, 求反应器的体积。
解

(1) 恒容过程

(2) 变容过程
1 第四章习题
1、 乙炔与氯化氢在HgCl2活性炭催化剂上合成氯乙烯:

其动力学方程式可有如下几种形式:
(1)
(2)
(3)
(4)
试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解
( 1)
( 2)
( 3)
( 4)
2、 在510℃进行异丙苯的催化分解反应:

测得总压p与初速度r0的关系如下:

4.3
6.5
7.1
7.5
8.1
p/kPa
99.3
265.5
432.7
701.2
1437
如反应属于单活性点的机理, 试推导出反应机理式及判断其控制步骤。
解:
( 1) 设为表面反应控制机理
( a)
( b)
( c)
还可设想别的机理: 上述两种机理有相同的初始速度关系式。即

由实验数据作图得一直线, 与所设机理相符。(b)可能较好。
( 2) 设为A吸附控制可得:
A吸附控制

当时,

应为直线关系, 与实验数据不符。
（1） 设为R脱附控制, 可得与实验数据不符

3、 丁烯在某催化剂上制丁二烯的总反应为:

若反应按下列步骤进行:

（1） 分别写出a, c为控制步骤的均匀吸附动力学方程;
（2） 写出b为控制步骤的均匀吸附动力学方程, 若反应物和产物的吸附都很弱, 问此时对丁烯是几级反应。
解: 法一: ( a控制) ( 1)
对b令则(2)
对c令则(3)
由(3)代入(2)得:
由得

法二: ( a控制)

法一: ( c控制)

法二: c控制)
由a, 令, 则
由b
由得

（3） b为控制步骤:

当吸附很弱时,
则
对丁二烯是一级反应。
4、 用均匀吸附模型推导甲醇合成动力学.假定反应机理为:
(1) CO+σ=COσ
(2) H2+σ=H2σ
(3) COσ+2H2σ=CH3OHσ+2σ
(4) CH3OHσ=CH3OH+σ
推导当控制步骤分别为(1), (3), (4)时的反应动力学方程。
解:
控制步骤为(1)时,

控制步骤为(3)时,

控制步骤为(4)时,

5、 一氧化碳变换反应CO+H2O=CO2+H2在催化剂上进行, 若CO吸附为控制步骤,
①用均匀表面吸附模型推导反应动力学方程。
②用焦姆金非均匀表面吸附模型推导反应动力学方程。
解

①

②

6、 催化反应A+B, A, B为均匀吸附, 反应机理为:
（1） A+σ=Aσ
（2） Aσ=Bσ
（3） Bσ=B+σ
其中A分子吸附(1)和表面反应(2)两步都影响反应速率, 而B脱附很快达平衡。试推导动力学方程。
2 解第五章习题
1. 异丙苯在催化剂上脱烷基生成苯, 如催化剂为球形, 密度为ρP=1.06kg·m-3, 空隙率εP=0.52, 比表面积为Sg=350m2g-1, 求在500℃和101.33kPa, 异丙苯在微孔中的有效扩散系数, 设催化剂的曲折因子τ=3, 异丙苯−苯的分子扩散系数DAB=0.155cm2s-1。
解

2. 在30℃和101.33kPa下, 二氧化碳向镍铝催化剂中的氢进行扩散, 已知该催化剂的孔容为VP=0.36cm3g-1, 比表面积SP=150m2g-1, 曲折因子τ=3.9, 颗粒密度ρS=1.4g·cm-3, 氢的摩尔扩散体积VB=7.4cm3mol-1, 二氧化碳的摩尔扩散体积VA=26.9cm3mol-1, 试求二氧化碳的有效扩散系数。
解

3. 常压下正丁烷在镍铝催化剂上进行脱氢反应。已知该反应为一级不可逆反应。在500℃时, 反应的速率常数为k=0.94cm3s-1gcat-1, 若采用直径为0.32cm的球形催化剂, 其平均孔径d0=1.1╳10-8m, 孔容为0.35cm3g-1, 空隙率为0.36, 曲折因子等于2.0。试计算催化剂的效率因子。
解

4. 某一级不可逆催化反应在球形催化剂上进行, 已知De=10-3cm2s-1, 反应速率常数k=0.1s-1, 若要消除内扩散影响, 试估算球形催化剂的最大直径。
解

5. 什么是宏观反应速率的定义式? 什么是宏观反应速率的计算式? 两者有何异同?
答
定义式计算式−RA=η(−rAS)
两者都反映了宏观反应速率与本征反应速率之间的关系。颗粒内实际反应速率受颗粒内浓度、 温度分布影响, 用定义式是难于计算的。计算式将过程概括为颗粒表面反应速率与效率因子的关系, 而效率因子经过颗粒内扩散及浓度、 温度分布的规律是能够计算的, 从而得到总体颗粒的宏观速率。