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2反应动力学基础

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。在等温常压下不断取样分析,测的组分A 的浓度随时

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C A ~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

0.760.125/.6.1α-==-mol l h

由(2.6)式可知反应物的水解速率为

0.125/.-=

=dC

A r mol l h A dt

2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应:

2423+→+CO H CH H O

催化剂体积为10ml ,原料气中CO 的含量为3%,其余为N 2,H 2气体,0进行实验,测得出口CO 的转化率为:

试求当进口原料气体流量为50ml/min 时CO 的转化速率。

解:是一个流动反应器,其反应速率式可用(2.7)式来表示

00000(1)(1)

-=

=-=-=-A

A R

A A A A A A A A

dF r dV F F X Q C X dF Q C dX

故反应速率可表示为:

000

0(/)==A A

A A A R R dX dX r Q C C dV d V Q

用X A ~V R /Q 0作图,过V R /Q 0=0.20min 的点作切线,即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。

0.650.04 1.79

0.34α-==

故CO 的转化速率为

40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯

===⨯⨯⨯A A P C mol l RT

4300 6.3810 1.79 1.1410/.min

(/)--==⨯⨯=⨯A

A A R dX r C mol l d V Q

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:

20.850.4

/-=⋅w CO CO r k y y kmol kg h

式中y CO 和y CO2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k W 等于0.0535kmol/kg.h 。如催化剂的比表面积为30m 2/g ,堆密度为1.13g/cm 3,试计算: (1) (1) 以反应体积为基准的速率常数k V 。 (2) (2) 以反应相界面积为基准的速率常数k g 。 (3) (3) 以分压表示反应物系组成时的速率常数k g 。 (4) (4) 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数

k C 。

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m 2/m 3。

3323

0.450.45

33

0.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.3010

11(3)()()0.05350.1508

0.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1)ρρρρ-==⨯⨯=-=

=

=⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯==⨯=v b w b

b

g w w v

b n p w n

c w k k kmol m h k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h

2.4在等温下进行液相反应A+B →C+D ,在该条件下的反应速率方程为:

1.50.5

0.8/min =⋅A A B r C C mol l

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:由题中条件知是个等容反应过程,且A 和B 的初始浓度均相等,即为1.5mol/l ,故可把反应速率式简化,得

1.50.5222

00.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X 由(2.6)式可知

00

(1)⎡⎤⎢⎥⎣⎦

--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt

代入速率方程式

22000.8(1)=-A A A A

dX C C X dt

化简整理得

00.8(1)=-A

A A dX C dt

X 积分得

00.81=

-A

A A X C t X

解得X A =82.76%。

2.5氨合成塔入口的气体组成为

3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及5.89CH 4。该塔是在30MPa 压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490℃,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:

3

2

2

3

2

1.531.5

12

/=-⋅NH H N NH H p p r k p k kmol m h

p p

逆反应的活化能4

17.5810/=⨯E J mol 。450℃时

30.5322277()/=⋅k m MPa m h ,且2

12/=P

k k K ,490℃时,Kp 可按下式

计算:

472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T 注:m 3为标准立方米。

解:题中给出450℃时的k 2值,而反应是在490℃下,故首先要求出490℃时的k 2值。

利用(2.27)试,求出频率因子A:

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