反應(yīng)工程計(jì)算及推導(dǎo)考試題

1、2．在銀催化劑上進(jìn)行甲的醇應(yīng)： 2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O 2CH3OH+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(jì)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

2、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(shí)， 則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為 組分 摩爾分率 yi0 摩爾數(shù) ni0（mol） CH3OH0.27427.4 空氣 0.547954.79（O2：11.51，N2：43.28） 水 0.178117.81 總計(jì) 1100 設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為為 XA，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 爾數(shù)

3、 nA，np，nC，分別為 nA=nA0(1－XA)=7.672mol np= nA0YP=18.96mol nC= nA0(XA－YP)=0.7672 mol 綜上所述反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式水（nW）,氧氣（nO，和氮?dú)猓╪N）的摩爾數(shù)為 nW= nW0+ nP+2 nC=38.30 mol nO= nO0－1/2 np－3/2nC=0.8792mol nN=nN0=43.28mol 所以，反應(yīng)器出口 氣體組成為 ..

4、.. 3.在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中，采用 B106 催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得正反應(yīng)活化能為 9.629×104J/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(shí)的速率比反應(yīng)溫度為 400℃時(shí)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(lái)描述反應(yīng)速率之比。 r550/r400=k550/

5、k400=Aexp(－E/RT550)/ Aexp(－E/RT400)=exp[E/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： 原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為 1:4，若是這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為 1 級(jí)。已知 。試求： （1）反 ? ? S mol L k ? ? 2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(shí)，C

6、O2,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 +4D rC=kCACB 對(duì)于恒容過程，則有 CA=CA0(1－XA) CB-=CB0－2CA0XA CA0=PA0/RT=2.382×10-3mol/l CB0=4CA0=9.528×10-3 mol/l 當(dāng) XA=0.8 時(shí) CA

7、= CA0(1－XA)=4.764 ×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(duì)于恒壓過程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過程，由（2.49）式可求出總摩爾的變化數(shù) δA=∑t/A=（1+4－1－2）/1=2 反應(yīng)物 A 的原始分率： A0

8、=1/(1+4)=0.2 由（2.52）式可得轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)的濃度： CA=CA0(1－XA)/(1+δA yA0 XA)=3.609×10-4mol/l CB-=（CB0－2CA0XA）/(1+δA yA0 XA)=4.331×10-3 mol/l rC= 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

9、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(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為 1 級(jí)，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(shí)間為 0.5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積； （2）若裝填系數(shù)取 0

10、.75，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。 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(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226kmol/h 每小時(shí)需氯乙醇：0.3226×80.5/0.95×30%=91.11 kg/h 每小時(shí)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

11、始濃度：CA0=0.3226×1000/0.95×275.8=1.231mol/l 反應(yīng)時(shí)間： 反應(yīng)體積： Vt= Q0（t+t'）=956.5 L反應(yīng)器的實(shí)際體積： V= Vt/j=1275 L 7.在一個(gè)體積為 300 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(jí)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

12、.9％，如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇 操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為 15 min，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。 解： t=[Ln 1/（1－XA）]/k =56.37s =0.94min Vr=Q0(t+t0)=300 L Q0=300/15.94=18.82 L/min 苯酚濃度 C 苯酚=CA0XA=3.2×0.989=3.165 mol/L, , ? ? A A ? ? R B A

13、? ? ? ? ? ? ? ? B B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= K1θA－K2PRθB由于θA+θB+θν=1將θA，θB 代人上式得 KA PAθν+ KB PBθν+θν=1整理得： θν=1/（1+KA PA+KB PB） 將θA，θB，θν代人速率方程中 rA=[k（PA－PBPR）/KP]/ （1+KA PA+KB PB） 其中 k= K1 KA，KP= K1 KA/ K2 KB 10.

14、 在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)： O H C O H C 4 2 2 4 2 2 2 ? ?化作： ， 其反映步驟如下： ? ? ? ? ? ? R B A 2 2 2 ? ?, , , ? ? A A ? ? ? ? B B 2 2 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? R B A ? ? ? ? R R若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)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：①V A A A

15、P K A A ? ? ? ? ? ? ? , V B B B P K B B ? ? ? ? ? ? ? , 2 2 2V R R R P K R R ? ? ? ? ? ? ? ,以表面反應(yīng)速率方程來(lái)表示整個(gè)反應(yīng)方程： V R B A A K K V ? ? ? ? 2 1 ? ?又 得 1 ? ? ? ? V R B A ? ? ? ?B B R R A AV P K P K P K ? ? ? ? 11 ?? ?? ? 2 1

16、B B R R A AR B AA P K P K P KK P P P K V? ? ?? ?② 反應(yīng)速率隨溫度的變化規(guī)律? ? ? ? A A x g k x k r ? ? ? ? f 0 ? r ? ? ? ? A A x g k x f k ? ? ?↓ ↓? ? ? ?dTk d x g dTk d x f TrA AxA? ?? ?