化学反应工程习题答案

习题 2.1
Hale Waihona Puke Baidu
• 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 20.96x 20.96x
• 重要知识点:
关键组分的转化率
xA
nA,0 nA n A,0
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反应 动力学方 程
0级 -rA=k
1级
2级 2级 3级
-rA=kCA
-rA=kCA2 -rA=kCACB (CA0=CB0)
-rA=kCACB (CA0≠CB0)
-rA=kCA2CB
动力学方程积分式
kt CA0 CA CA0 x kt ln(1 xA )
kt 1 xA CA0 1 xA
kt
• (1) r=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2 • (2) r=kKAKBpApB/(1+KApA)(1+kBpB+kcPc) • (3) r=kKApApB/(1+KApA+kBpB) • (4) r=kKBpApB/(1+kBpB+kcPc) • 试根据理想表面假设说明各式对应的机理
t
CA0 2 AD
ln
E E
D D
x x
E E
D D
• CA0=4.066mol/m3 CB0=10.43mol/m3
• CP0=17.96mol/m3 x=0.356
习题2.7
• (2):忽略逆反应的影响
rA
dCA dt
k1CA0 (1 x)(CB0
CA0x)
k1t
习题2.7
• CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5
• CA0
CB0
Cp0
t=0
• CA0(1-x) CB0-CA0x Cp0+CA0x CA0x
t=t
rA
dCA dt
k1CA0 (1 x)(CB0
CA0 x) k2 (Cp0
CA0 x)CA0 x
rA
dCA dt
(k1 k2 )CA02 x2
kt
K mCA0
ln
xAe
2xAe 1
xAe xA
xA
2级 2A2P 同上式, m=2
2级 2AP+S 同上式, m=1
2级 A+B2P 同上式, m=4
习题2.10
• 乙 氯炔乙与烯氯的化反氢 应在C2HHg2C+lH2/C活l=性C炭2H催3C化l其剂动上力合学成 方程有以下几种可能的形式:
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
C2H5ONO NO 0.5CH3CHO 0.5C2H5OH
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,亚硝酸分解速率及乙醇的生成速率.
• r=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBpB+KcPc)2
• k=k+KAKB
K=k+KAKB/(k-KC)
习题2.10
• (2) 机理:A+σ1Aσ B+σ2Bσ2 Aσ1+Bσ2Cσ2+σ2 (控制步骤) Cσ2C+σ2
• kaApAθv1-kdAθA=0 θA=KApAθV1 • θA+θV1=1 θV1 =1/(1+KApA) • θB=KBpBθV2 θC=KCpCθV 2 • θB+θC+θV2=1 θv2=1/(1+KBpB+KCpC)
CB0
1
CA0
ln
1 1
xB xA
kt
CA0
2 2CB0
1 CA0
1 CA
CA0
2 2CB0
2
ln
CB0CA CBCA0
等温恒容可逆反应的动力学方程
反应 反应式 动力学方程积分式
1级 2级
AP
A+BP+S
(CA0=CB0)
(k k ')t ln CA0 CAe CA CAe
习题2.1
• C6H12O6+6O2+inert=6CO2+ 6H2O+inert
• mol
20.96 79 0.04
79 t=0
• mol 20.96(1-x) 79 0.04+20.96x 20.96x 79 t=t
• 反应前后O2与CO2摩尔数之和应不变,则反应后总 摩尔数为:
• 21/20.2×100=103.96 (mol) • O2浓度: 20.96(1-x)/103.96=16.1% • 则转化率为: x=0.201 • 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
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
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8.2at,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,
习题2.1
• 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。
习题2.5
CNO
PNO RT
CO 2
PO2 RT
rA
kcCNO2CO 2
kc
PNO RT
2
PO2 RT
kc RT
P P2
3 NO O2
• 反应速率常数的kp值:
kP
kc
RT 3
1.661012
m3
mol s Pa3
• 知识点:化学反应速率常数
习题2.6
• 有一反应,已知下列速率常数:
(k1(CA0
CB0 ) k2CP0 )x k1C C A0 B0
A (k1 k2 )CA02
B (k1CA0 k1CB0 k2CP0 )CA0
rA
dCA dt
Ax2
Bx C
C k1CA0CB0
rA
dCA dt
A x
B 2A
B2 4 A2
C A
x
B 2A
B2 4 A2
习题2.2
C2H5ONO NO 0.5CH3CHO 0.5C2H5OH
• t (1-x)
x 0.5x
0.5x
• 反应总压力: P=1+x=1.8 (at)
(1 x) PA 1 x P 0.2(at)
CA
PA RT
4.98(mol / m3)
k 1.391014 exp( 37700) 1.391014 exp( 37700 4.18) 0.00126
假设及其控制步骤
习题2.10
• (1) 机理:A+σAσ B+σBσ Aσ+BσCσ+σ (控制步骤) CσC+σ
• kaApAθv-kdAθA=0 θA=KApAθV • θB=KBpBθV θC=KCpCθV
• θA+θB+θC+θV=1 θv=1/(1+KApA+KBpB+KCpC)
• r=k+θAθB-k-θCθV
C A
习题2.7
t
CA0
ln
B 2A
B2 4 A2
C A
x
B
ln 2A
B2 4 A2
C A
2
B2
AC
4
x
B 2A
B2 4 A2
C A
B 2A
B2 4 A2
C A
令
D
B2 4 A2
C A
E B 2A
t
CA0 2 AD
ln
x
E E
D D
ln
x
E E
D D
• 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) 1mol反应物A(或产物P)时,整
A
(
p
s)
a
(a
RgT
RT
rA kCA 0.0063(mol /(m3 s)) rp 0.5kCA 0.00314(mol /(m3 s))
• 知识点: 反应速率: • Arrhenius law:
(rA
)
dC A dt
E k k0 exp( RT )
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
b)
个物系总摩尔数的变化值.
习题2.4
• nt=n0+δAnA0x
pA
PyA
nA0 (1 nt
x)
p
nA0 (1 x)
n0 AnA0 x
P
0.15(1 x) 1 0.0375x
P
CA
pA RT
P RT
yA
nA0 (1 nt
x)
p RT
nA0 (1 x) n0 AnA0 x
P RT
0.15(1 x) C 1 0.0375x
• 恒容反应: P=P0(1+0.0375x)
• 恒压反应: P=P0 V V0 (1 0.0375x)
• 膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:
A
VxA1 VxA0 VxA0
A
nt 0 nA0
A
• 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
rA=k1CACB-k2CpCs k1=4.76×10-4 m3/(min·kmol) k2=1.63×10-4 m3/(min·kmol) 今有一反应器,充满0.3785m3水溶液,其中含CH3COOH90.8kg,
含C2H5OH181.6kg,所用盐酸浓度相同,假定在反应器中的水 分不蒸发,物料密度恒定为1043kg/m3,求: (1) 反应120min后, CH3COOH转化酯的转化率; (2) 忽略逆反应影响,反应120min后,乙醇的转化率; (3)平衡转化率
温度/℃
58.1
77.9
k/(1/h)
0.117
0.296
• 求该反应的活化能和指前因子
习题2.6
• 知识点:活化能、指前因子、Arrhenius方程
E
ln
k2 k1
45321.5(J / mol)
11
RT1 RT2
• K0=1641236.4 (1/h)
习题2.7
• 乙醇同乙酸在盐酸水溶液中的可逆酯化反应 CH3COOH+C2H5OH=H2O+CH3COOC2H5,实验测得 100℃时的反应速率常数为:
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？
习题 2.3
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
CB0
1
CA0
ln
CB0 CA0x
(1 x)CB0
• x=0.418 乙醇转化率: (CB0-CA0x)/CB0=0.839 • (3) 平衡转化率
rA k1CA0 (1 x)(CB0 CA0x) k2 (Cp0 CA0x)CA0x 0 • xe=0.5465
等温恒容不可逆反应的动力学方程
惰性物料是否存在无关.
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?
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;
习题2.4
• 进气总浓度: C P 197.26(mol / m3)
•
氨浓度:
RT
CA=15%C=29.59
(mol/m3)
• 4NH3 + 5O2 + inert → 4NO + 6H2O + inert