化学反应工程课件-8

习题课
习题2.5

NO和O2氧化为NO2的反应是一个三级反 应,2NO+O2=2NO2,在30℃及1kg/cm2下测得其反应速率 常数为kc=2.65×104 L2/(mol2· s).如果将速率方程表示 为分压的函数:rA=kppNO2pO2,请问反应速率常数的kp值和 单位是什么?
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习题课
37700 37700 4.18 ) 1.39 1014 exp( ) 0.00126 RgT RT
rA kC A 0.0063( mol /( m 3 s )) rp 0.5kC A 0.00314(mol /(m3 s))
• 知识点: 反应速率: • Arrhenius law:
循环操作的平推流反应器 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)

xA
0
dxA rA
xA rA
V v0c A0
xA
0
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
dxA rA
V v0c A0
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答案
C2 H 5ONO NO 0.5CH 3CHO 0.5C2 H 5OH • t (1-x) x 0.5x 0.5x
• 反应总压力: P=1+x=1.8 (at)
(1 x) PA P 0.2(at ) 1 x
k 1.39 1014 exp(
PA CA 4.98(mol / m3 ) RT
C NO
PNO RT
CO 2
PO2 RT
rA kcCNO 2CO 2
2 P kc NO PO2 2 kc P P 3 NO O2 RT RT RT
• 反应速率常数的kp值:
kP
RT
kc
3
1.66 10
12
mol 3 3 m s Pa
选择性
S
生成产物所消耗的关键 组分 A的物质的量 已消耗关键组分 A的总物质的量
5
流动模型与反应选择性
平行反应
kD A D (目的产物）
相应的速率方程为：
α1 rD k D c A
A U (副产物）
ku
rU kU c
rD k D α1α 2 cA rU kU
α2 A
11
1 k ln 1 k1 k 2 k 2 k1 k 2 /(k 2 k1) c A0 ( ) k2
流动模型与反应选择性
cB cB
cC
cC
反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性作用
12
流动模型与反应选择性
cC
cB
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流动模型与反应选择性
全混流反应器
FA0 FA rAV FB rBV FC rCV τ (cA0 CA) / k 1cA cB /(k 1cA k 2cB) cC / k 2cB
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答案
• C6H12O6+6O2+inert=6CO2+6H2O+inert • mol 20.96 79 0.04 0 79 t=0
• mol
20.96(1-x) 79 0.04+20.96x 20.96x 79 t=t
• 则反应后总摩尔数为y,则有 • 20.96 (1-x)/y=16.1% • (0.04+20.96x)/y=4.1% • x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min· kg
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答案
• 如果该题目改为:人对反应的水份不产生影响.且 不给出CO2的出口浓度,则:
20.96(1 x) 100% 16.1% 20.96(1 x) 79 0.04 20.96 x 20.96 x
• 重要知识点:
关键组分的转化率
xA
n A,0 n A n A,0
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第一章习题答案 习题1.1

一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为: C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
第二章 反应器内的流体流动与混合 Chapter 2 Fluid Flow & Mixture in Reactor
几种理想反应器 不同反应器及反应器的组合 停留时间对转化率选择性的影响 停留时间分布测定 停留时间分布与流动模型
1
作业 Assignment
新版教材：
2.9 2.10 2.11
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复习
流动模型与反应选择性
串联反应 (重点）
A B(目的产物） C
k1 k2
反应时间对串联反应选 择性有重要影响，返混 影响选择性
平推流反应器
dFA = rA dV dFB = rB dV dFC = rc dV 过程恒容， Fi = v0 ci , dV = v0 dτ - dcA / dτ = k1c A dcB / dτ = k1c A - k 2 cB dcc / dτ = k 2 cB
• 知识点:化学反应速率常数
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习题课
习题2.6

有一反应,已知下列速率常数:
58.1 0.117 77.9 0.296
温度/℃ k/(1/h)
• 求该反应的活化能和指前因子
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习题课
k2 ln k1 E 45321.5( J / mol ) 1 1 RT1 RT2
• K0=1641236.4 (1/h)

知识点:活化能、指前因子、Arrhenius方程
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dCA dt E k k0 exp( ) RT (rA )
习题课
习题2.3
对于不可逆基元反应：aA+bB——cC+dD 其速率方程式可表示为：rA=kCAaCBb 如果以A为基准物，反应方程式两边除以A有计量系数a， 方程式可写为 A+(b/a)B——(c/a)C+(d/a)D 则其动力学方程按此方程式可写为rA=kCACBb/a 请问后一种速率方程式是否正确，为什么？
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流动模型与反应选择性
反应物 A的浓度变化： c A c A0 exp(k1τ ) 产物 B的生成浓度为一阶微分 方程： dcB / dτ k 2 cB c A0 exp(k1τ ) 初始条件： τ 0，c B 0 k1 cB c A 0 (e k1τ e k2 τ ) k 2 k1 目的产物的出口浓度最 大需要的反应时间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt cB ,opt
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流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终 产品分别： 1 s xA
xA
s DU 1 sdxA dxA x A 0 1 sDU 0
xA
平行反应中，若反应中的浓度级数不同，可通过控
制反应的浓度来改变反应物的分布。
反应物浓度高有利于级数高的反应，浓度低有利于级
数低的低的反应
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xA rA
理想反应器的组合
4
例题2.1，习题2.7
流动模型与反应选择性
流体在反应器内的流动状况不仅影响反应器的大小，而且
影响对目的产物的选择性。选择性是优化考虑的主要因素。
不同的返混状况对反应选择性的影响
收率 Y 生成产物所消耗的关键 组分 A的物质的量 进入反应器的关键组分 A的物质的量
α1 , α2 均大于 0，D和U相对选择系数 s DU sDU
α1> α2 浓度增加, sDU增大，平推流或间歇反应器 α1< α2 全混流反应器
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流动模型与反应选择性
根据瞬时选择性定义， rD 1 s α2 α1 rA 1 (kU / k D )c A
两组分参与的平行反应 ：
k1 A B D (目的产物） k2 A B U (副产物） 速率方程为： α1 β1 rD k1c A cB α2 β2 rU k 2 c A cB
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流动模型与反应选择性
sDU rD k D α1α 2 b1b 2 cA cB rU kU
若α1> α2，β1> β2, A、B维持高 水平 α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器

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习题课

进气总浓度:
P C 197.26(mol / m 3 ) RT
• 氨浓度: CA=15%C=29.59 (mol/m3)
• 4NH3 + 5O2 + inert → 4NO + 6H2O + inert • nA0 nB0 ni0 nP0 nS0 ni0 t=0 • nA nB ni0 nP nS ni0 t=t • nA=nA0(1-x) nB=nB0-(b/a)nA0x • nP=nP0+(p/a)nA0x ns=ns0+(s/a)nA0x • 膨胀因子: 当每消耗(或生成) ( p s ) ( a b) 1mol反应物A(或产物P)时,整 A a 个物系总摩尔数的变化值.
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习题课

nt=n0+δAnA0x
nA0 (1 x) nA0 (1 x) 0.15(1 x) p A Py A p P P nt n0 A nA0 x 1 0.0375 x
Βιβλιοθήκη Baidu
CA
n (1 x) p n (1 x) P pA P 0.15(1 x) y A A0 A0 C RT RT nt RT n0 A n A0 x RT 1 0.0375 x
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习题课
习题2.4
工业上以氮氧化物生产硝酸,氮氧化物由氨和空气 气相氧化得到 4NH3+5O2→4NO+6H2O 如果进气中含氨15%,进气状态为8.2atm,227℃.试求: (1)进气总浓度和氨浓度; (2)恒压间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和体积V的函数; (3)恒容间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和总压P的函数;

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习题课

什么是基元反应？
反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应.

通常对基元反应而言,可以说:单分子反应、双分子 反应、三分子反应 Guldberg and Waage[J. Prckt. Chem. 19, 71(1879)]指 出：化学反应的速率与反应物的有效质量成正比 只有基元反应在反应物浓度不太大的情况下才符 合质量作用定律 不正确。
k1τc A0 cB (1 k1τ )(1 k 2 τ ) 最大需要的反应停留时 间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt (k1k 2 ) 1/ 2
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流动模型与反应选择性
反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性的作用。 同样转化率下，平推流反应器对于目标产物的选择性高。 k1/k2较大时，反应转化率可适当高些；k1/k2较小时，尽 量降低反应器内的反应转化率
• 恒容反应: P=P0(1+0.0375x) • 恒压反应: P=P0 V V0 (1 0.0375 x) • 膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:
VxA1 VxA0 A VxA0
nt 0 A A nA 0
• 以膨胀率表征变容程度时,不但要考虑反应的计量关系,还 要考虑系统内是否含有惰性气体,而以膨胀因子表达时,与 惰性物料是否存在无关 . 25
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习题2.2

在210℃等温条件下,进行亚硝酸乙酯的气相分解反应
C2 H 5ONO NO 0.5CH 3CHO 0.5C2 H 5OH
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.39 1014 exp( 37700 ) RgT
活化能E的单位为cal/mol,若反应在恒容下进行,系统起始状 态为1at的纯亚硝酸乙酯,试计算亚硝酸乙酯分解率为80% 时,亚硝酸乙酯分解速率及乙醇的生成速率.