(完整版)反应工程第五章习题答案.pdf

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1、化学反应工程习题（第五章）5.1 乙炔与氯化氢在 HgCl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应C2H2 HCl C2H3Cl(A)(B)(C)其动力学方程式可有如下种种形式：2(1)r(pApB pC/K)/(1 KApA KBpB KCpC)(2)r KAKBpApB/(1 KBpB KCpC)(1 KApA)(3)r KApApB/(1 KApA KBpB)(4)r KBpApB/(1 KBpB KCpC)试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。解：（1）A AB BA B C（控制步骤）CC（2）A1 A1B2 B2A1 B2C21（控制步骤）C1 C 1（3）A AB BA B C（控制步

2、骤）（4）B BA BC（控制步骤）CC 5.2 在 Pd-Al2O3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为C2H4CH3COOH1O2 CH2COOC2H3H2O2实验测得的初速率数据如下功刀等，化工志，71，2007（1968）.115,pAcOH 200mmHg，pO2 92mmHg。pC2H4(mmHg)r0105(mol/hr g催化剂)注：1mmHg=133.322Pa701001952473154653.94.46.06.67.255.4如反应机理设想为AcOH AcOHC2H4 C2H4AcOH C2H4 HC2H4OAcO22 2OHC2H4OAcOC2H3OAc H2O (控制

3、步骤)C2H3OAc C2H3OAcH2O H2O+试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。解：C2H4CH3COOH1O2 CH2COOC2H3H2O2（A）（B）（C）（E）（F）A KAPAVB KBPBVCKCPCVD ks1KAKBPAPBVE KEPEVF KFPFV11 KAPA KBPBKCPCks1KAKBPAPB KEPE KFPFks2ks1KAKBPAPBKCPC(1 KAPA KBPBKCPCks1KAKBPAPB KEPE KFPF)2(ks2ks1KAKBPBKCPC)PA1 KBPBKCPC(KAks1KAKBPB)PA2K1PAPA(K2 K3PA)2(

4、K2 K3PA)2Vr ks2DCr0PA K2 K3PAr0计算PA值如下表：r0pC2H4(mmHg)r0105(mol/hr g催化剂)701001952473154653.94.46.06.67.255.4PA103r01.341.511.801.932.082.93以PA对PA作图，基本上为一直线。r0上述数据与反应速度式基本符合。5.3某反应A R S，其动力学方程式为rA kKA(pA pRpS/K)/(1 KApA KRpR)试导出平推流式的等温积分反应管中转化率XA与 W/FAO的关系式。解：设总压不变且pA0 p0 p(pR0 pS0 0)A2111pApA0(1 xA)(

5、1 xA)(1 xA)pA0pA1AyA0 xA(1 xA)(1 xA)xAp1 xA同理：pR ps将各 p 值代人题中给出的动力学方程式，并简化得：rA(1 a2x2)/(bx2 cx d)式中：a 121pb (KR KA)/kKApkc (21 KR)/kKAd (KA)/kKAx xApp并设rA是以单位床层体积为基准的，反应管中堆积密度为pB（不应存在密度项）。WFA0Bbxf0 xfxfx2xddxcdxd01a2x201a2x2dx1a2x2xfbxfxbxfxxdxf1dxf1dxdxcdxdxdx22000002a1ax2a1ax1a x21ax21axbd1axfcln2

6、ln(1a2x2f)bxf2a1axf2a5.4在 200下，苯在Ni 催化剂上加氢。已知催化剂微孔的平均孔径4.0mm，求总压分别为 0.1Mpa 及 3.5MPa 下氢的扩散系数。解：由陈甘棠（81 版）表 5.3-4 查得：2.8271010mC6H6:/k 412.3 5.349设本系统可由苯与氢的二组分系统代表，则由（5.3-62）及（5.3-63）式，得：H2:/k 59.7AB(AB)(2.827 5.349)4.088AB1122(AB)1/2 k(59.7412.3)1/2157.0k故：kT/AB 473/157.0 30.1由表 5.3-3 查得：AB 0.9483代入（

7、5.3-61）式：DH2C6H6 0.001858(473)3/211)2.01678.110.860cm2/spp(4.088)2(0.9483)(当 p=0.1MPa=1atm 时DH2C6H60.8602cm/s 0.860cm2/s10.8602cm/s 0.02457cm2/s35当 p=3.5MPa=35atm 时DH2C6H6至于努森扩散则由（5.3-65）式计算，它与总压是无关的。DK 9700(0.4)(4731/2)59431.5cm2/s2.016由此可知，由于孔径较大，努森扩散的影响可以忽略。解法 2：由于孔径 4mm 很大，因此直接用分子扩散的公式（参考朱炳晨的书）5

8、.5异丙苯在催化剂上裂解而生成苯，如催化剂为微球状，dp=0.4cm，p=1.06g/cm3，p=0.52,Sg=350m2/g，求在500，0.1Mpa 时，异丙苯的微孔中的有效扩散系数。设已知微2孔的曲折因子=3，异丙苯-苯的分子扩散系数为0.155cm/s。解：a 2VgSg2gpSg20.527 2.810 cm41.0635010孔径很小属努森扩散区：Dk 9700aD T500 273 97002.8107 6.89103cm2/sMA1201 6.60103cm2/s Dk116.891030.155DD0.526.60103De1.14103cm2/s311/Dk1/DAB迷宫

9、因子是催化剂中的一种加速或者减弱催化的酶的催化系数，这个系数决定了催化的速度。5.6 兹有直径为 0.2cm 高 0.2cm 及直径为 0.8cm 高 0.8cm 的两种催化剂粒子分别在等温的管中进行测试，填充体积为 150cm3，床层空隙率 0.40，所用气体流量均为 3cm3/s，粒子孔隙率均为 0.35，迷宫因子0.20，反应为一级不可逆，对直径为0.2cm 催化剂，达到的转化率为66%，而对直径为 0.8cm 的催化剂则为 30%，如气体密度不变，问：（1）这两种床层催化剂有效系数是多少？（2）气体真实的扩散系数为多少？解：（1）设等比表面当量球半径Rp1,Rp2：24Rp2R2R 2

10、R2表面积/体积，故RP R24R 2R2RP3RP1 R1 0.2/2 0.1cm，RP2 R2 0.8/2 0.4cm，一级反应催化剂有效系数与浓度无关，分别设为1，2p cA0 xAfRP10.1 0.25RP20.40 xAfdxdx11clnA00kvcA0(1 xAf)kv1 xAfrA式中rA，p均以催化剂粒子体积为基准：pk21 ln111.079，pk22 ln 0.35710.6610.31/2 3.021/2 RP1/RP2 0.25根据式（5.3-91）计算，3s(11)，用试差法求得：tanss1 3.29213.161 0.6372 0.211此算法均是将圆柱子化作

11、当量球形求解。（2）kv1.079p1（或0.357p2kv）pVR(1)1500.6 30(s)V031.079 5.65102(1/s)300.6372RP1kv由式（5.3-78）De12De0.125.65102 5.22105cm2/s3.2920.25.22100.355D p 2.98105cm2/s5.7 某组分 A 在 540下的催化剂上反应，其速率式为(rA)8.3610132pAmol/sg催化剂A的单位为 Pa。如催化剂颗粒的密度为0.8g/cm3，当量直径为0.3cm，颗粒外表面上A 的42分压为 pA,s=1.210 Pa，A 的组分在粒内的扩散系数为0.020cm

12、/s,求催化剂的有效系数。解：用浓度表示时(rA)8.36101322PV=nRTp(RT)2cA kvcA132252故：-rAkv 8.3610(0.80)(8.314 813)cA 3.055610cA又 R=0.3cm代入（5.3-77）kvcAskvpAs3.05561051.2104 R 0.3 0.01562s RDeRTDe8.3148130.02于是从图 5.3-11中查得：=0.91-15.8 某一加氢化反应，在0.2Mpa 及 80下进行，如粒子的p=1.16g/cm3，e=1.06510-22w/mK，H2在粒内的扩散系数 De=3.010 cm/s,反应热H=-180

13、Kj/mol，反应的活化能为62.8Kj/mol，如反应组分在进料气中占20%，而用无内扩散影响的细粒子测得的反应速率为-71010 mol/sg 催化剂，试估算粒度为dp=1.30cm 时的反应速率。R21R21解：(rA)(rA)s ADecAsDecAs式中(rA)s为以粒子体积为基准的粒子表面反应速度。pA120%0.0069mol/m3RT0.082(27380)1.3()22R11A(rA)s22101071.16 2.373DecAs3100.006910。(H)DecAs1801030.0069103 0.07212eTs1.4651010(27380)cAsr E62.810

14、00 21.4RT8.314(27380)由 0.072，2.37在图 5.3-16 上试查得 2，1.3。5.9 有一气-固相非催化反应R(s)A(g)2B(s)已知固体颗粒直径为 2cm，颗粒表面的分压为 0.09Mpa，反应速率由灰层内 A 的扩散所控制，该扩散系数为 0.020cm2/s。如用缩核模型，求当 B 转化到 40%及 80%时所需的时间和当时的反应速率。解：由题意可得，反应速率由灰层内扩散所控制，且为缩核模型：简化BR26bDecAgd(2102/2)28.314T2B646bDepAg62210910B()2RT又t13(1 xA)2/3 2(1 xA)2/344t1 1

15、3(10.4)2(10.4)0.80573.8510 T 3.1010 TBB2/344t2 13(10.8)2(10.8)1.133.8510 TB 4.3610 TB3又xA1(c)，当xA 0.4时，0.4 1(rRrc3)rc1 0.1687应为 rBR当xA 0.8时，0.8 1(rc3)rc1 0.1170R5.10 一含有 15%反应组分 A 和 85%惰性组分的混合气体在总压 0.2Mpa 下通过含反应组分-63B2.610 mol/cm 的 60恒温液体，已知在该条件下，反应器中的持液率为 0.85，比表面23-52积为 2.8cm/cm,传质系数 kLA=0.066cm/s

16、，扩散系数 DLA=2.010 cm/s，亨利常数 HA=1.18710 Pa/mol/l,化学反应速率式3rA18.4cAcBmol/cm s如气相传质阻力可以忽略，而液相中 A 的传质阻力需加考虑，问这时以单位容积计的反应速率为多少？解：（陈甘棠 81 版 P314）由已知可得，按拟一级反应处理，由（8-2-12）式kcBLDLA/klA18.42.61062.0105/0.066 4.687105故 0.02，虽属慢反应，但传质仍有影响。rAL(rA)LkcAcB kLAa(cAicA)cA cAi/(1LkcB/kLAa)又：cAi pA/HA 2.01050.15/(1.18107)

17、2.542103mol/cm3633cA 2.542103/1 0.8518.4(2.610)/(0.0663.0)2.54110 mol/cm因此反应速度为：37rA kLAa(cAicA)0.0663.0(2.542 2.541)10 3.9610气体的溶解度有两种表示方法。（1）在一定温度下，气体的压强（或是该气体的分压，不包括水蒸气的压强）在 101kPa 下，溶解在 1 体积水里达到饱和状态时溶解的气体的体积（将非标准状况时气体的体积换算成标准状况时的体积数），就是这种气体在水里的溶解度。例如在 0，氮气的溶解度是 0.024，就是指在 0，1 体积水里最多能溶解 0.024 体积的

18、氮气。（2）在一定温度下，气体的总压强是101kPa（气体的分压加上当时水蒸气的压强）时该气体在 100g 水里溶解的克数。5.12 含有 0.1%H2S 的气流在 2Mpa，20下以含有 0.25mol/l 甲醇胺的溶液吸收，其反应式为HS RNH2H2S RNH2此反应属不可逆瞬间反应，已知数据为：kLAa 0.0301/s，kGAa 6.01010mol/cm3sPa,DLA1.5105cm2/sDLB105cm2/sHA1.15104Pal/mol（对H2S H2O）确定适用于操作条件下的速率方程式的型式，并指明比直接在纯水内进行物理吸收快多少？63解：pA 210 0.1%210 P

19、acB 0.25mol/L首先判别该吸收过程是否在界面上发生：kLADLADLA105klAa kLBa 0.03 0.025kLBDLBDLB1.510kgAapA 6.0101010321031.2103mol/LskLB0.02cB()0.25 5.0103mol/Lsb1kLBcB，说明 反应仅在界面上发生，属于气膜控制，吸收速率式b故kgAapA可简化为rA kgAapA在纯水中的物理吸收速率为NAa kGAapA11.15104Pal/mol而kGAa ()()7kgAakLAa0.0301/s610 mol/l sPa1H1 4.4810mol/l satm7rA6107pA故1.23NAa4.48107pA