高等反应工程教程答案

高等反应工程试题,2011.10

计算题

1.某一级不可逆气-固催化反应,其反应速率为 -rA kcA 10 6mol/s.cm3

当cA 10 3mol/L0133MPa,400℃时,若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响,问催化剂历经如何改变。已知De=10-3cm2/s。

10 6

10 1s 1 解： -rA kcA 2 310 10

若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，即

0.95, 1 RP 3k 0.1cm 1mm 1,即RP 110De

2.用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为yA=0.5，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率常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m/h，试计算：

1）催化剂内部效率因子为多少？内扩散影响是否严重？

2）催化剂外表面浓度为多少？外扩散影响是否严重？

3）计算表观反应速率。

解：1） RPk0.333 0.3 4.51 0.5De(1 )0.00296

1 0.52 th

显然内扩散影响严

高等反应工程试题,2011.10

计算题

1.某一级不可逆气-固催化反应,其反应速率为 -rA kcA 10 6mol/s.cm3

当cA 10 3mol/L0133MPa,400℃时,若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响,问催化剂历经如何改变。已知De=10-3cm2/s。

10 6

10 1s 1 解： -rA kcA 2 310 10

若要求催化剂内扩散对总速率基本上不发生影响，即

0.95, 1 RP 3k 0.1cm 1mm 1,即RP 110De

2.用直径为6mm的球形催化剂进行一级不可逆反应A→P+R。气相主体中A的摩尔分率为yA=0.5，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率常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5，组分A在颗粒内有效扩散系数为0.00296cm2/s，外扩散传质系数为40m/h，试计算：

1）催化剂内部效率因子为多少？内扩散影响是否严重？

2）催化剂外表面浓度为多少？外扩散影响是否严重？

3）计算表观反应速率。

解：1） RPk0.333 0.3 4.51 0.5De(1 )0.00296

1 0.52 th

显然内扩散影响严

第二章 均向反应动力学

1.在473K等温及常压下进行气相反应：

（1）A?3R （2）A?2S

rR?1.5CA rS?0.5CA

A （3）A?T T式中CA为反应物A的浓度（kmol/l），原料中A和惰性气体各为一半（体积比），试求当A的转化率达85%时，其转化速率是多少？

r?2.1C解：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：

11rAR?rR?0.5CArAS?rS?0.25CAr?rT?2.1CA 32 AT总反应速率为：RA?rAR?rAS?rAT?2.85CA

以一摩尔反应物A为基准，总摩尔变化数为：

0.50.252.1?A??3??2??1?0.4392.852.852.85

Py0.1013?0.5CA0?0A0??1.288?10?2kmol/l?3RT8.314?10?473初始浓度为：

CA0(1?XA)1.288?10?2?0.15CA???1.628?10?3kmol/l1??AyA0XA1?0.5?0.439?0.85则有：

RA?2.85CA?2.85?1.628?10?3?4.640?10?3kmol/(l.min)

??，已知c?0.5km

1 绪 论

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

2CH3OH?O2?2HCHO?2H2O 2CH3OH?3O2?2CO2?4H2O

进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算

（1） （1） 反应的选择性；

（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：

S?Y?0.629?0.9611?96.11%X0.720

（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），

当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 组分 摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol) CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：

nA=nA0(1-XA)=7.672 mol

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：

(1) r??(pApB?pC/K)/(1?KApA?KBpB?KCpC)2 (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???A?

B???B?

A??B??C??? （控制步骤） C??C??

（2） A??1?A?1

B??2?B?2A?1?B?2?C?2??1（控制步骤） C?1?C??1 （3） A???A?

B???B?

A??B?C?? （控制步骤）

（4） B???B?

A?B??C? （控制步骤） C??C??

经验：①看分母，含有哪些物质的吸附平衡常数，可以确定哪些物质有吸附或脱附过程；

②看分母，含有几个式子相乘，就有几个活性中心参与反

6.1、在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应A?B。试以产物B的浓度CB为纵座标，径向距离r为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B的浓度分布示意图。 （1） 化学动力学控制 （2） 外扩散控制

（3） 内、外扩散的影响均不能忽略

图中要示出CBG，CBS及CBe的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B的浓度，CBe是B的平衡浓度。如以产物A的浓度CA为纵座标,情况又是如何?

解(1)以产物B的浓度为纵座标

(2)以产物A的浓度为纵座标

6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解:

由?p??t(1??p),得?p?0.542由?ra??2?p/Sr?p,得?ra??65.6A6.13 在150℃,用半径100μm的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,

由Vg??p/?p?0.542/1.65?0.328cm3/g催化剂

测得反应速率常数kp=5min-1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm2/s,试问:

(1) 在0.1M

2004-2005学年第2学期《 化学反应工程》考试试题（A）卷

标准答案

一．选择题(每题2分，共10分)

1．可逆放热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而

Ａ．降低 Ｂ.升高 Ｃ. A、B均可能 Ｄ.同可逆吸热反应 2．对于A → P (主)， A → B（副）的平行反应，若反应级数α主>α副，在相同的操作条件和反应时间下，下列各种反应器所得转化率判断中正确的是 Ａ．CSTR>PFR Ｂ.CSTR

Ｃ. PFR<间歇反应器 Ｄ.PFR>多级CSTR串联 3．平推流反应器的Pe、N、σθ2值分别为

Ａ．0、0、 1 Ｂ. ∞、0、0 Ｃ. 0、∞、0 Ｄ. ∞、∞、0

4．对于转化率与反应速率存在极大值的动力学关系，采用下列何种型式的反应器可能使得所需反应体积最小

Ａ．PFR Ｂ.PFR后串接一个CSTR Ｃ. CSTR Ｄ.CSTR后串接一个PFR

5．在相同反应体积时，保持其它操作条件亦相同，对于正常动力学，则

Ａ．(XＡ)PFR>(XＡ)两个CSTR串

3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应CH3COOC2H5?NaOH?CH3CHCOONa?C2H5OH 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数为5.6L/（min·mol），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为1m3、2m3时，所需的反应时间是多少？ 解： A?B?C?D

rA?k?C 设A的转化率为xA，B的转化率为xB A?CBxA?nA0?nA??nAnB0?nB??nB?? xB? nA0nA0nB0nB0∵ nA0?nB0 ， ?nA??nB ， ∴ CA?CB

xAft=

CA0?0dxA=CraxAfA0?011dxAk=-2kCA0(1?xAf)CA0k?CA=169.6 min

t与反应体积无关。

∴1m3、所需反应时间均为169.6min

3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？ 解：对于平推流反应器： k??ln1vB

??

1 绪 论

1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：

3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+

进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算

（1） （1） 反应的选择性；

（2） （2） 反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====

（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），

A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：

n A =n A0(1-X A )=7.672 mol

n P =n A0Y P =18.96 mol

n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol

结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：

n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol

n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol

n N =n N

2004-2005学年第2学期《 化学反应工程》考试试题（A）卷

标准答案

一．选择题(每题2分，共10分)

1．可逆放热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而

Ａ．降低 Ｂ.升高 Ｃ. A、B均可能 Ｄ.同可逆吸热反应 2．对于A → P (主)， A → B（副）的平行反应，若反应级数α主>α副，在相同的操作条件和反应时间下，下列各种反应器所得转化率判断中正确的是 Ａ．CSTR>PFR Ｂ.CSTR

Ｃ. PFR<间歇反应器 Ｄ.PFR>多级CSTR串联 3．平推流反应器的Pe、N、σθ2值分别为

Ａ．0、0、 1 Ｂ. ∞、0、0 Ｃ. 0、∞、0 Ｄ. ∞、∞、0

4．对于转化率与反应速率存在极大值的动力学关系，采用下列何种型式的反应器可能使得所需反应体积最小

Ａ．PFR Ｂ.PFR后串接一个CSTR Ｃ. CSTR Ｄ.CSTR后串接一个PFR

5．在相同反应体积时，保持其它操作条件亦相同，对于正常动力学，则

Ａ．(XＡ)PFR>(XＡ)两个CSTR串