催化反应工程(华东理工大学) 习题及解答

催化反应工程（华东理工大学）习题及解答

习题

1：CO 变换反应的平衡常数

1222=⋅⋅=

O

H co H CO c c c c Kc

已知原料气中，CO ：H 2O ＝1：2（摩尔比），试确定反应混合物的平衡组成和平衡转化率。

2：等温下在间歇反应器中进行一级不可逆分解反应

C B A +−→−

在5min 内有50％的A 分解，要达到分解率为75％，问需多少时间？若反

应为二级，则需多少时间？

3：在体积为V R 的反应器中进行均相等温反应 2

,A kc r R A =−→−。

（1） 当该反应器为CSTR 时，Af x ＝50％，若将此反应器改为PFR ，Af x 等

于多少？

（2） 当该反应器为CSTR 时，Af x ＝50％，若将此反应器体积增大6倍（仍

为CSTR ），Af x 等于多少？

（3） 若反应级数为零级，求（1）、（2）的计算结果。

（4） 若反应级数为1级，求（1）、（2）的计算结果。

4：在理想管式反应器中进行两级反应，当进料初浓度从30％降到4％，若要求反应结果的残余浓度维持在0.1％，问进料体积流量应作何调整？

习题

5：下述基元反应⎪⎩⎪⎨⎧−→−

−→−

S P A 21，原料中0A c ＝1，000==S R c c ，加到两只串联的CSTR

中，m in 5.21=τ，m in 52=τ，已知第一只CSTR 出口4.01=A c ，4.01=R c ，

2.01=S c ，求第二只CSTR 出料组成。

6：证明在内、外扩散同时影响宏观速率时， （1）对一级可逆气－固相催化反应，ζ

111s k s k c R s e g Ag +

=

；

（2）对n 级不可逆气－固相催化反应，宏观速率近似按下式计算：

1

11-+=

n Ag

s e g Ag

c s k s k n c R ζ宏

7：用直径5mm 球形催化剂进行一级不可逆反应P A −→−

，颗粒外部传质阻力可忽略不计，气流主体温度500℃，p =1atm ，反应组分为纯A ，已知以催化

剂颗粒体积为基准的反应速率常数为k=5s-1，组分A 在颗粒内的有效扩散系数De ＝0.004cm2/s ，试计算颗粒内部有效因子ζ与表观反应速率R 。

8：推导单段绝热式一氧化碳变换反应器的一维拟均相数学模型。

1：

解：,121,,,,,,2222222=⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=

=

V n V n V n V n C C C C K l CO l CO l

CO l CO l

O H l CO l H l CO c 得3

2,2=

l CO n 即3

2)1(1)

(,0

,,0,=--=-=e CO CO e CO CO e n n n n x

⎪⎪⎪⎪

⎩⎪⎪⎪

⎪⎨⎧⇒ 2：

解：（1）反应为一级不可逆反应：

m i n 10 5.04ln 2ln 75

.011ln

5.011ln 522=⇒==--=t t

（2）反应为二级不可逆反应：

m i n

15 311ln 1ln

22

2

11

21=⇒=--=t x x x x t t 3：

解：（1）n=2,

667.0 )1()

5.01(5

.02

=⇒-=-Af Af Af x x x （2）n=2, 75.0 )

1()5.01(5

.062,2

2,2,2=⇒-=-⨯Af Af Af x x x

9

131,,,,2=-==

∑e

CO e i e

CO e CO n n n y 9432,,,,222

=-==∑e CO e i e O H e O H n n n y 9

2,,,22=

=∑e i e CO e CO n n y

5：

解：对#1，⎩⎨

⎧====111

2111

1//ττs A s R A R C C k r C C k r ，⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧⨯==⨯==--11112

1

1111min 2.05.24.02.0min 4.05.24.04.0＝＝ττA S A R C C k C C k

对#2，组分A ：2212

200)()

(A R A A A C k k V C C V r +=-=

1.0 )

2.04.0(4.0522

2

2=+-=

=A A A C C C 得，τ

组分B ：1.04.04

.05221122⨯-=-=

=R A R R C C k C C τ，得6.02=R C

组分C ：1

.02.02

.05222122⨯-=-==S A S S C C k C C τ，得3.02=S C

6：

解：（1）一级不可逆反应：

ζ

ζζi s e g Ag i s As

e g As Ag As i s As Ag e g s k s k C S k C S k C C C S k C C S k R 1

111)(+

=

=-=

=-=宏 （2）n 级不可逆反应：

[]

111

11)(1

)

(1---+=

-+-+==-=n Ag

i s e g Ag i s n Ag Ag As Ag Ag As n Ag n Ag i s n As i s e

g As

Ag C S k s k n c S k C n C C C n C C nC C S k C S k S k C C R ζζζζ＝宏

7：

解：Φ＝

95.210004.06

2353

2

=⨯⨯=eff v p D k R 3.095.231)95.23(195.2131)3(11 =⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡⨯-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=

∴th th φφφζ