化学反应工程习题

第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础 一、思考题

1、间歇系统与连续系统中，反应速率的定义式有何异同？ 2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系？

3、反应速率可以用浓度ci、分压pi或摩尔分率yi来表述，相应的速率常数kc、kp、ky之间有何关系？ 4、温度增加，反应速率常数肯定增加，对否？

5、空速的定义是什么？它的大小反映了反应器的什么能力？

6、转化率的定义是什么？在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用？ 7、化学反应中哪种吸附起主要作用？

8、惰性物质不参加反应，所以对吸附、脱附无任何影响，对否？

9、吸附或脱附为控制步骤时，关键组分A的分压有何特点，非关键组分的分压有何特点？ 10、表面反应为控制步骤时，反应物、生成物的分压有何特点？ 11、表达反应系统体积变化的参数是什么？

12、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化？

第二章 气－固相催化反应本证及宏观动力学 一、思考题

1、对于球形催化剂，西勒模数（Thiele）越大，则催化剂的内扩散有效因子如何变化？

2、如果在某催化剂上测得的反应速率为r，而内扩散有效因子为0.8，则此反应速率是否为本征反应速率？ 3、对于气—固相反应，什么情况下，可以不考虑分子扩散的影响？ 4、对于球型催化剂粒子，西勒模数的定义式是什么？

5、本征化学反应速度在内外扩散阻力完全消除的情况下与宏观化学反应速度有何关系？ 6、孔结构对内扩散有无影响？

7、在气体的扩散过程中，如果催化剂的孔径远远小于分子的平均自由程时，可以不考虑哪种扩散？

8、对于气－固相反应，如果本征动力学方程式为r，催化剂的内扩散有效因子为ζ，则宏观动力学方程式应如何表示？ 二、计算题

1、某可逆反应：A?B?C?D，其均匀表面吸附机理的动力学方程式为：

k2k1

kPP?PPK??ABCDr? A221?bP?bP1?bP?bPAACCBBDD???? 试写出反应机理及控制步骤，并证明之。

〖解〗

A?2?1?2A1?12B?2?2?2B1?22 2A1?1?2B1?2?C?2?D?1??1??2(控制步骤）

22C?2?C??2D?1?D??122rA?k1?A?B?k2?C?D?V1?V2?V1?

11?bAPA?bCPC，?V2?11?bBPB?bDPD1

?bAPAA?1?b，?bCPCC?APA?bCPC1?bAPA?bCPC

?bBPBbDPDB?1?b，?D?BPB?bDPD1?bBPB?bDPD r(PAPB?PCPDK)A?k(1?b2

APA?bCPC)(1?bBPB?bDPD)2k2、某可逆反应：A?B?1C的均匀表面吸附机理动力学方程式为：

k2

rk?PAPB?PCK?A??1?bPAA?bPCC??1?bP BB? 试写出反应机理及控制步骤，并证明之。

〖解〗

A?2?1?2A1?1，B??2?B?2

2A1?1?B?2?C?1??2 (控制步骤)

2C??1?C?1 ，rA?k1?A?B?k2?C?V2 ?V2?11?b，?1V1?BPB1?bAPA?bCPC?bAPAA?1?bAPA?bCPC

?bBPBB?1?b，?C?bCPCBPB1?bAPA?bCPCrk(PAPB?PC/K)A?(1?b

BPB)(1?bAPA?bCPC)k13、某可逆反应：A?B?kC?D，其均匀表面吸附的机理动力学方程式为：2

rk?PAPB?PCPDK?A??1?bP AA??1?bPBB?bPDD?试写出反应机理及控制步骤，并证明之。

〖解〗

2

，

A?2?1?2A1?12B?2?2?2B1?2

222

A1?1?B1?2?D?2?C??1(控制步骤）D?2?D??2rA?k1?A?B?k2PC?D?V1

?V1?11?bAPAbAPA1?bAPA，?V2?11?bBPB?bDPDbBPB

?A?，?B?1?bBPB?bDPD

，?D?bDPD1?bBPB?bDPD

rA?k(PAPB?PCPDK)(1?bAPA)(1?bBPB?bDPD)k1k24、某可逆反应：A?B?R?S的均匀表面吸附机理动力学方程式为： rA?k(PAPB?PS2PR/K)(1?bAPA?bSPS)(1?bBPB?bRPR)

试写出反应机理及控制步骤，并证明之。 〖解〗

A?2?1?2A1?12B??2?B?2 2A1?1?B?2?S?1?R1?2??1(控制步骤）

22S?1?S??12R1?2?R?2?222rA?k1?A?B?k2?S?R?V1?V1?11?bAPA?bSPS，?V2?11?bRPR?bBPB

?A??B?bAPA1?bAPA?bSPSbBPB1?bRPR?bBPB，?S?，?R?bSPS1?bAPA?bSPSbRPR1?bRPR?bBPB

rA?k(PAPB?PS2PRK)(1?bAPA?bSPS)(1?bRPR?bBPB) 3

5、丁烯在某催化剂上制取丁二烯的总反应方程式为C4H8?C4H6?H2，假设丁烯脱氢化学反应按如下步

k2k1骤进行：

(a)C4H8?????C4H8?

A???A?

(b)? A??B??C CH?CH?H???48462(c) ? B??B?? CH?CH????4646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若，问此时反应对丁烯是几级反

应。 解〗

?A?bAPA?V，?B?bBPB?V

rA?k1?A?k2?BPC

?V?11?bAPA?bBPB

?A?rA?bAPA1?bAPA?bBPBk1bAPA?k2PBPC1?bAPA?bBPB，?B?bBPB1?bAPA?bBPB

当反应物与产物吸附都很若时，即当1?bAPA?bBPB?1时，动力学方程可写为：rA?k1bAPA?k2PBP 所以此时对丁烯是一级反应。

6、用直径为6毫米的球形催化剂进行一级不可逆反应A→R+P,气相中Ａ的摩尔分数yA＝0.50，操作压力Ｐ＝0.10133MPa，反应温度Ｔ＝500℃，已知单位体积床层的反应速度常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5,组分A在颗粒内的有效扩散系数为0.00296cm2/s,外扩散传质系数为40m／h，计算： (1) 催化剂内扩散效率因子，其影响是否严重。

(2) 催化剂外表面浓度CAS，并说明外扩散影响是否严重 (3) 计算传质速度。 〖解〗

(1) ??RP3kvDeff?1????0.63?2?0.3330.00296??1?0.5??1.5

??1?11?1?11?????????0.5187 ??????th3?3?1.5th3?1.53?1.5????PAgRT?0.5?1.01325?1058.314?103??550?273.15??0.0074kmolm3

CAg?rAg?Sekg?CAg?CAS???kCAS

Se?

6?1???dp?6??1?0.5?6?10?3?500m2m3

4

50CAS?SekgCAgSekg??k?3600403600?500?0.0074?0.0072kmolm3

?500?0.5187?0.333rAg??kCAS?0.5187?0.333?0.0072?0.00124kmolm3?s

7、体积为100立方米的管式反应器内部充填半径为2.50毫米的球形颗粒催化剂，气体稳定时，每秒有0.24kmol的反应物Ａ按等温一级不可逆反应分解，反应物Ａ在颗粒内的有效扩散系数为1.2×10-6m2／s，气流中反应物A的分压为0.10133MPa，T＝700Ｋ。(1) 试估计催化剂颗粒内部的内扩散效率因子。(2) 若催化剂的活性提高一倍，微孔的有效扩散系数下降为 7×10-7m2／s，问内扩散效率因子为多少。(3) 若催化剂活性提高一倍，有效扩散系数仍为7×10-7m2／s，如果要求内扩散效率因子不变，问催化剂颗粒大小为多少？ 〖解〗

(1) CA0?PA0RT?0.1013250.008309?700?0.24?0.0174molcm3

rA0?kCA0，k?R3kDeffrA0CA00.0174?1000.1381.2?10?6?0.138s?1

???2.5?10?33?0.2826

??1?tanh(3?)R3kDeff(1?13?)?10.2826tanh(3?0.2826)2?0.1387?10?7(1?13?0.2826)?0.9551

(2) ???2.5?10?33?0.5233

??1?tanh3?()RP3'(1?13?)?11 (?)?0.86660.5233tanh3?(0.523)33?0.52331(3) ????'k'Deff'?RP3kDeff

R?RP'P'kDeffkDeff'?2.5?7?10?72?1.2?10?6?1.35mm

8、某气－固相一级不可逆催化反应，已知反应温度为350℃，在该温度下反应速度为1.15×10-5[mol／cm3.s]，颗粒外表面A组分的浓度为1.1×10-5[mol／cm3]，Ａ的分子量为128，催化剂颗粒为球形，直径为0.18cm，颗粒密度为ρp=1.0ｇ／cm3，孔隙率θ＝0.48，比表面Sｇ＝468m2/ｇ，曲节因子δ＝2.9,若分子扩散可不考虑，试求催化剂的内扩散效率因子。

〖解〗

r?2Vg?P?Sg?2?0.48468?104?1.0?2.05?10?7cm

5

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