化工反应工程答案.docx
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化工反应工程答案
2反应动力学基础
2.1在一体积为4L的恒容反应器中进行A的水解反应,反应前A的含量为12.23%(重量),混合物的密度为1g/mL,反应物A的分子量为88。
在等温常压
F不断取样分析,测的组分A的浓度随时间变化的数据如下:
反应时间(h)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
Q(mol/L)
0.9
0.61
0.42
0.28
0.17
0.12
0.08
0.045
0.03
试求反应时间为3.5h的A的水解速率
解:
利用反应时间与组分A的浓度变化数据,作出Q〜t的关系曲线,用镜面法求得t=3.5h时该点的切线,即为水解速率。
切线的斜率为
器°-125mOl/Lh
由(2.6)式可知反应物的水解速率为
dCA
dt
°.125mol/l.h
2.2
「A
Q(ml/min)
83.3
67.6
50.0
38.5
29.4
22.2
X(%)
20
30
40
50
60
70
试求当进口原料气体流量为50ml/min时CO勺转化速率。
解:
Fa
dFA
故反应速率可表示为:
「A
Q0CA0
dXA
dVR
CA0
dXA
d(VR/Q。
)
在一管式反应器中常压300C等温下进行甲烷化反应:
CO3H2CH4H2O
催化剂体积为10ml,原料气中CO的含量为3%其余为N,H2气体,改变进口原料气流量Q0进行实验,测得出口CO的转化率为:
是一个流动反应器,其反应速率式可用(2.7)式来表示dFA
dVR
Fa°(1Xa)Q°Ca°(1Xa)
Q°CA°dXA
用Xa〜Vr/Q。
作图,过VR/Q0=0.20min的点作切线,即得该条件下的值a。
VJQ°min
0.12
0.148
10.20
0.26
0.34
10.45
XA%
20.0
30.0
:
40.0
50.0
60.0
:
70.0:
dXA/d(Vr/Q°)
1.79
0.65°.°4
0.34
故CO的转化速率为
CA0
PA0
RT
0.10130.03
8.314103573
6.38104mol/l
rACaod—a6.381041.791.14103mol/l.min
d(VR/Qo)
2.3已知在Fe-Mg催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为:
rkwyCOSOfkmol/kgh
式中ycO和y为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率,0.1MPa压力及700K时反应速率常数kW等于0.0535kmol/kg.h。
如催化剂的比表面积为30ni/g,堆密度为1.13g/cm3,试计算:
1)
(1)以反应体积为基准的速率常数kVo
(2)
(2)以反应相界面积为基准的速率常数kgo
(3)(3)以分压表示反应物系组成时的速率常数kgo
(4)(4)以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kco
解:
利用(2.10)式及(2.28)式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成nVm3。
(1)kvbkw1.131030.053560.46kmol/m3.h
w
nkw
b3kw1.78
b30103
(1)0.450.0535
'0.1013,
(8.31103700).45
62
106kmol/m.h
°1508kgg5
c,)450.05350.333(7^7)0.45(4^)
0.1kmolkg.h
2.4在等温下进行液相反应A+4C+D在该条件下的反应速率方程为:
rA0.8CA.5cB.5mol/lmin
若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应,求反应4min时A的转化率。
解:
1.5mol/l
「A由(2.6)
由题中条件知是个等容反应过程,且,故可把反应速率式简化,得
O.8CA.5cB.50.8CA0.8CA0(1
式可知
A和B的初始浓度均相等,即为
—a)2
dCA
dt
代入速率方程式
cd—A
A0dt
化简整理得
d—a
「A
dCao(1—a)c
CA0
dt
d—a
dt
22
O.8Cao(1—a)
(1—a)
积分得
0.8CA0dt
0.8CA°t
—A
1—A
解得—=82.76%
5.89CH4。
该塔是在30MPe压力下操作。
已知催化剂床层中某处的温度为490C,反应气体中氨含量为10%(mol),试计算该处的反应速率。
在Fe催化剂上氨合成反应速率式为:
r
1.5k1pnPH/
1f2PNH
3
k2pN匕
/1.5kmol/m3h
Ph2
su
104J/mol。
450C
逆反应的
活化能
F
17.58
时
k22277m3(MPa)0.5/m3h,且k!
/k2K;,490c时,Kp可按下式计算:
logKp2047.8/T2.4943logT1.256104T1.8564107T23.206注:
m为标准立方米。
解:
题中给出450C时的k2值,而反应是在490C下,故首先要求出490C时的k2值。
利用(2.27)试,求出频率因子A:
su
k2Aexp(RET)
su
匚17.58104/8.31472316
Ak2exp(RT)2277/e1.14510
su
'F1617.58104/8.314723430.5,3,
k2Aexp(RT)1.14510e1.05510m(MPa)/m.h
490C的Kp值由题给公式计算出
logKp2047.8/7632.4943log7631.2561047631.85641077632
3.206
1.2524
Kp5.592102
求k1值:
・*2
k1
2'
Kp
k2
kKpk2
k1
(5.592
2243153
10)1.0551033m(MPa)./m.h
求各组分的分压值:
2n
2|H2
NH3
Pi
1yA0AXA
yi
yi0yA0XA
A
1yA0AXA
PiyiP
yAo
1
20.87%,a=——
yR
0.10
yR0yA0XA
A
1yA0AXA
10.035-
1
2
*0.2087*Xa
10.2087*(-2)*Xa45.914Xa6.5
0.1416
yA0yA0XA
1yA0AXA
0.2087(1-0.1416)
Xa
yA
yH
10.2087*(-2)*0.1416
0.1904
3v
yH07yA0XA
1
1yA0AXA
0.626-3*0.2087*0.1416门“=0.5716
10.2087*(-2)*0.1416
YiP
Pi
各组分的分率及分压值为
NH
10%
pNH3=3MPa
r19.06%
PN2=5.718MPa
57.18%
pH2=17.15MPa
Ar+CH4
「13.79%
PAr+CH4=4.137MPa
.pNHk2
反应速率为:
1.5
Ph2
PNH3
rk1Pn2
1.533.05.718
Ph2
仃;551.055104
3
17.151.5
m3/m3cat.h(179.6kmol/m3cat.h)
4.023
NP是最佳温度曲线,
2.6下面是两个反应的T-X图,图中AB是平衡曲线,
AM是等温线,HB是等转化率线。
根据下面两图回答:
是可逆反应还是不可逆反应?
是放热反应还是吸热反应?
在等温线上,A,D,O,E,M点中哪一点速率最大,哪一点速率最小?
在等转化率线上,H,C,R,O,F及B点中,哪一点速率最大,哪一点
(1)
(1)
(2)
(2)
(3)
(3)
(4)
(4)
(5)
(5)
(6)
(6)
「550k550
r400k400
Aexp(--^)
Rl550
叵(」J96290(11)
eR-400-550e8.314(673823)23(倍)
Aexp(r
RT400
在钒催化剂上进行
80%寸的最佳温度。
2.8常压下,
试计算转化率为
4
为9.21110J/mol,化学计量数等于2,反应式为:
SO2102SO3
SO氧化反应,原料气组成为7%O及82%N。
二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能
解:
图2.1
图2.2
(1)
可逆反应
可逆反应
(2)
放热反应
吸热反应
(3)M
点速率最大,
A点速率最小
M点速率最大,
A点速率最小
⑷O
点速率最大,
B点速率最小
H点速率最大,
B点速率最小
(5)R
点速率大于
C点速率
C点速率大于
R点速率
(6)M
点速率最大
根据等速线的走向来判断H,
的速率大小。
M点
在C,R两点中,谁的速率大?
根据图中所给的十点中,判断哪一点速率最大?
2.7在进行一氧化碳变换反应动力学研究中,采用B106催化剂进行试验,
4
测得正反应活化能为9.62910J/mol,如果不考虑逆反应,试问反应温度是550C时的速率比反应温度是400C时的速率大多少倍?
解:
从题中可知,反应条件除了温度不同外,其它条件都相同,而温度的影响表现在反应速率常数k上,故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
其平衡常数与温度的关系为:
logKp4905.5/Te4.6455
4
该反应的热效应Hr9.62910J/mol。
解:
(1)求出转化率为80%寸各组分的分压:
以100mol为基准
x
SQ
Q
SO
0:
7.0
11.0
0:
82.0
100.0
0.80
7(1-0.80)=1.4
11-5.6X0.5=8.2
5.60
82.0
97.2
Pso2PySO20.10131.4/97.21.46103(MPa)
3
Po2Pyo20.10138.2/97.28.5510(MPa)pSOPySO0.10135.6/97.25.84103(MPa)
Pn2PyN20.101382/97.28.55102(MPa)
(2)求与上述组成对应的平衡常数Kp值:
KPSO3
kp05
pSO2po2
5.84
103
1.461038.55
30.5
103
43.26
(3)求平衡温度Te
logKp4905.5/Te4.6455
Te
⑷利用su
E
4P05F780.9K
6.282
(2.31)式求逆反应活化能
UTHr
E-9.211
104
r
⑸利用(2.31)式求最佳温度
Top匚su
1sRTUrln隹EEE
Top
9.629104
2
780.9
1.403105J/mol
18.314780.9ln14.03739.004K
(14.039.211)1049.211
2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应:
3
ABrrR1.6CAkmol/mh
2AdrD8.2C:
kmol/m3h
式中rR,rd分别表示产物R及D的生成速率。
反应用的原料为A与B的混合物,其中A的浓度为2kmol/m3,试计算A的转化率达到95%寸所需的反应时间。
解:
反应物A的消耗速率应为两反应速率之和,即
RArR2rD1.6CA16.4C;1.6CA(110.25CA)
利用(2.6)式
dCA
dt
1.6Ca(110.25Ca)
积分之
1.6t
CCA(丄
CA0
CA
(1Xa)102氐
1
1O.25Cao
t0.6463/1.60.4038h
2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应:
C6H3(CH3)3H2
CgH4(CH3)2CH4
C6H4(CH3)2H2C6H5CH3CH4
反应器进口原料气组成为66.67%H,33.33%三甲基苯。
在0.1Mpa及523K下等温反应,当反应器出口三甲基苯的转化率为80%寸,其混合气体的氢含量为20%
试求:
(1)
(1)此时反应器出口的气体组成。
(2)
(2)若这两个反应的动力学方程分别为:
rA6300CAcB.5kmol/m3h
rE3400CCcB.5kmol/m3h
则出口处二甲基苯的生成速率是多少?
解:
以100mol为计算基准,设X为三甲基苯的转化率,Y为生成的甲苯摩尔数。
(1)
(1)用物料衡算求出口气体组成:
组分名称
x=o时
X=0.8时
三甲基苯(A)1
33.33
:
33.33(1-X)
氢(B)
66.67
66.67-33.33X-Y
二甲基苯(C)1
0
P33.33X-Y
甲烷(D)
0
33.33X+Y
甲基苯(E)[
0
ry
100.0
100.0
由题给条件可知,混合气中氢的含量为20%所以有:
66.67-33.33X-Y=20
解得Y=66.67-33.33X0.8-20=20.01kmol(甲苯量)生成的二甲基苯量:
33.33X0.8-20.0仁6.654kmol生成的甲烷量:
33.33X0.8+20.01=46.67kmol剩余的三甲基苯量:
33.33X(1-0.8)=6.666kmol氢气含量为:
20kmol故出口尾气组成为:
三甲基苯6.666%,氢气20%二甲基苯6.654%,甲烷46.67%,甲基苯20.01%。
(2)
(2)由题给条件可知,三甲基苯的出口浓度为:
cPao
Caort
总O03333?
23g103kmol/m3
CACA0(1
0.8)7.669103(10.8)1.534103kmol/m3
CB
0.20
0.06666
1.534
103
4.6103kmol/m3
CC
0.06654
1.534
103
1.532103kmol/m3
0.06666
CD
0.4667
1.534
103
1.074103kmol/m3
0.06666
CE
0.2001
1.534
103
4.603103kmol/m3
0.06666
Rc
「A「e
6300Ca
0.5
CB
3400CCCB.5
63001.534
103
(4.6
103)0.534001.53210
0.65550.35330.3022kmol/m3.h
2.11
在210C等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应:
c2h
5NO2
NO
1CH3CHO1C2H5OH
3(4.6103)0.5
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为
1441
k1.3910exp(1.89710/T)(s),若反应是在恒容下进行,系统的起始总压为0.1013MPa,采用的是纯亚硝酸乙脂,试计算亚硝酸乙脂分解率为80%寸,亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。
若采用恒压反应,乙醇的生成速率又是多少?
解:
(1)恒容过程,其反应式可表示为:
AB2c1d
反应速率式表示为:
rAkCAkCA0(1Xa)
设为理想气体,反应物A的初始浓度为:
CA0驚
0.10132.523102mol/l
8.314103483
rAkCA0(1Xa)1.391014exp(18973/T)CA0(1
1.391014exp(18973/483)2.523102(100.8)
亚硝酸乙脂的分解速率为:
RarA6.112106mol/l.s
乙醇的生成速率为:
Rd1rA3.056106mol/l.s
(2)恒压过程,由于反应前后摩尔数有变化,是个变容过程,由(求得总摩尔数的变化。
Xa)
6.112106mol/l.s
2.49)式可
10.50.511
1
由于反应物是纯A,故有:
yA0=1。
由(2.52)式可求得组分的瞬间浓度:
CA
Cao(1Xa)
1AyA0XA
2.523102(10.8)
1110.8
rAkCA1.391014exp(18973/483)2.8031023.395106mol/l.s
乙醇的生成速率为:
16
RDrA1.698106mol/l.s
2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750°C等温下的转化反应为:
CH42H2OCO24H2
原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1:
4,若这个反应对各反应物均为一级,已
知k=2l/mol.s,试求:
(1)
(1)反应在恒容下进行,系统的初始总压为0.1013MPa当反应器出口的CH转化率为80%寸,CO和f的生成速率是多少?
(2)
(2)反应在恒压下进行,其他条件如
(1),CO的生成速率又是多少?
解:
(1)由题意可将反应速率表示为:
A2BC4drckCACB
对于恒容过程,则有
CaCa0(1Xa)
CB
CB0
2CA0Xa
CA0
PA0
rt
0.10130.2
CB0
当Xaf0.8时
4CA0
32.382103mol/l
8.3141031023
3
42.382109.528
3
10mol/l
Ca
CA0(1
Xa)2.3821030.2
4.764104mol/l
CB
CB0
2CA0Xa
9.528103
2.3821030.85.717103mol/l
Rc
rCkCACB24.764104
1062.179
5.7171035.447106mol/l.s
4rc
45.447
Rd
(2)对于恒压过程,是个变容反应过程,由
/14122
At'A12
反应物A的原始分率:
105mol/l.s
2.49)式可求得总摩尔数的变化
CA
CB
yA。
「0.2
由(2.52)式可求得转化率为80%寸的浓度:
2.382103(10.8)3.609104mol/l
1aYa0Xa120.20.8
120.20.8
CB02Ca°Xa9.52810322.3821030.84.331105mol/l
1aYa0Xa
rAkCACB23.6091044.3311053.126106mol/l.s
(1)
A
3R
rR
1.2CAmol/l
min
(2)
A
2S
「s
0.5CAmol/1
min
(3)
A
T
「T
2.1CAmol/l
min
式中CA为反应物A的浓度
(mol/l
),原料中A和惰性气体各为一半(体积比)
RCrC3.126106mol/l.s
2.13在473K等温及常压下进行气相反应:
试求当A的转化率达85%寸,其转化速率是多少?
解:
方法
(1),先求出总摩尔变化数A。
首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率:
1
尹
1
2S
rAR
0.4CA
0.25CA
2.1Ca
总反应速率为:
RArAR
以一摩尔反应物
0.4A2.75初始浓度为:
P0yA0
RT
rASrAT2.75Ca
A为基准,总摩尔变化数为:
0.25
2
2.75
空1
2.75
0.382
则有
CA0
0.1013
CA
Ca°(1
1AyA0
0.5
8.314103473
1.288102mol/l
Xa)
Xa
2
1.28810
0.15
2.75CA2.75
Ra
方法
(2),可将Q表示为:
Ca0(1Xa)
1.6625103mol/l
10.50.380.85
1.66251034.572103mol/l.min
CA
1yA0
AjXAj
AR
AS
AjXAj
0.4
2275
0.851
0.25
2.75
0.850.3245
Ca
1.2881020.15
10.32450.5
1.6623103mol/l
Ra
2.75CA
2.751.662310
4.571103mol/l.min
方法(3),利用物料衡算可分别求出反应物
A生成R及S的瞬间选择性Sr,Ss
因而可求出产物R及S的收率yR,ys,求得A转化率为85%寸的分率:
Ya
Ca
Ra
其中:
Yao(1YrYsYt)
12Ya°YrYaoYs
2CAoYa1.28810’
2.751.6623
0.06453
0.064532
103
0.4Ca
0.4
(0.4
0.25
2.1)Ca
2.75
0.25C
A
0.25
(0.4
0.25
2.1)Ca
2.75
0.4
0.85
0.1236
2.75
0.25
0.85
0.07727
2.75
2.75Ca
SR
SS
Yr
Ys
1.6623103mol/l
4.571103mol/1.min
2.14在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应:
C6H5CH(CH3)2CeH6C3H6
以A,B及R分别表示异丙苯,苯及丙烯,反应步骤如下:
(1)A
A
(2)A
BR
(3)B
B
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