化学反应工程 教学课件 作者 王承学 主编 胡永琪 副主编 郭锴 主审 第二章题解.docVIP

习 题 2－1、 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸汽＝2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2％，试计算： （1）反应的选择率； （2）反应气体出口组成。 解：（1）由得： (2) 以进口气体含甲醇2mol、含空气4mol、含水蒸汽1.3mol为计算基准。 参加反应的甲醇的量：2×0.72＝1.44（mol） 出口气体含甲醇：2－1.44＝0.56（mol） 主反应消耗的甲醇：1.44×0.961＝1.38384（mol） 主反应消耗的氧气：1.38384/2=0.69192（mol） 主反应生成的甲醛：1.38384（mol） 主反应生成的水： 1.38384（mol） 副反应消耗的甲醇：1.44×0.039＝0.05616（mol） 副反应消耗的氧气：0.05616×1.5=0.08424（mol） 副反应生成的二氧化碳：0.05616（mol） 副反应生成的水份：0.05616×2=0.11232（mol） 因此，反应气体出口组成如下： 甲醇：0.56（mol） 甲醛：1.38384（mol） 氧气：4×0.21－0.69192－0.08424＝0.06384（mol） 氮气：4×0.79＝3.16（mol） 二氧化碳：0.05616（mol） 水蒸汽：1.3＋1.38384＋0.11232＝2.79616（mol） 折算成摩尔百分比，出口气体含甲醇、甲醛、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸汽的分率分别为： 7.0%、 17.3%、0.8%、 39.4%、0.7%、34.9% 2－2 、试推导 n级不可逆反应的反应速率常数的量纲。 解： n级不可逆反应的动力学方程为： 式中：的单位是，的单位取 据此可求得的单位： 量纲为： 用分压表示n级不可逆反应的动力学方程式，即教材（2－36）式： 式中： 分压的单位是： 因此，可求得的单位： 量纲为： 本题的结论表明，反应速率常数的单位和量纳，不是确定的，而是依赖于动力学方程式的具体形式。 2－3、 对化学反应，提交了两个不同的动力学方程 ，与 利用热力学一致性校验，初步判断出正确与错误。 解：对化学反应，其化学平衡常数可表示为： 对所提交的两个动力学方程，分别令，可分别得到以下两式 （1）： （2）： 整理（1）式，可得： 整理（2）式，可得： 将上述两式分别与平衡常数表达式对比，可知第二个动力学方程式不符合热力学一致性校验，初步判断第一个方程式正确，第二个方程式为错误。 2－4、在间歇反应器中进行等温二级、一级、零级均相反应，求出转化率由0变为0.9所需的时间，与转化率由0.9变为0.99所需时间之比。 解：二级、一级、零级均相反应的动力学积分式分别为： 二级反应： 一级反应： 零级反应： 据此，可求得转化率达0.9及0.99所需的时间如下： 二级反应：， 一级反应：； 零级反应：； 最后，可求得题目所要求的时间之比如下： 二级反应： 一级反应： 零级反应： 由此题结论可见，反应级数越高，反应末期所花费的时间越长。 2－5、 有一反应在一间歇反应器中进行，经8min后，反应物转化掉80％，经过 18min后转化.掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 解：本题可用“积分法”求动力学方程的参数。 先假设该反应为一级反应，其动力学方程的积分式为： ， 可见 与反应时间成正比。 但是，代入题给数据加以验证，得： ， 可知，该反应不满足“与反应时间成正比”。 设为二级不可逆反应。由教材（2-28）式，二级不可逆反应动力学方程的积分式 ，即： 可见，与反应时间成正比。 代入题给数据加以验证，得： ， 可知，该反应符合二级反应的特征。 故该反应的动力学方程可表达为： 2－6、某一气相一级反应：A→2R+S，在等温、等压的实验反应器中进行，原料含75％的A及25％的惰性气体(摩尔比)，经8min后，其体积增加一倍。求此时的转化率及该反应在此温度下的速率常数。 解：由题意知 ，以及 计算反应的膨胀因子，得： 可知： 对于一级反应： 从而可以求得： 2－7、液相自催化反应Ａ─→Ｂ的速率方程为 rA = kCACB mol/(l·h)，等温下在间歇反应器中测定反应速率，CA0=0.95 mol/l，CB0=0.05 mol/l，经过1小时后可测得反应速率最大值，求该反应速率常数k。 解： 反应速率达到最大值时，必有： 即： 化简得： 上式代入题给数据，可以解得： 对于间歇反应器，有： 积分上式，得： 代入数据，