化学反应工程习题解答 第五版

习题１－１：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

进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气＝2：4：1.3。反应后甲醇转化率为72％，甲醛的收率为69.2％。试计算：（１）选择率；（２）出口组成。

解：（１）

69.2%

96.1%

72%

Y

S

x

===

(2)设原料中甲醇、空气、水蒸气的物质的量分别是2mol、4mol和1.3mol. 则生成甲醛所耗的甲醇的物质的量为2×0.692=1.384mol

副反应消耗的甲醇为:2×0.72-1.384=0.056mol

由反应计量方程式可知:

n（H2O）=1.3+1.384+2×0.056=2.796（mol）

n（CO2）=0.056mol ;

n(HCHO)=1.384mol

n(CH3OH)=2×(1-0.72)=0.56（mol）

n(O2)=4×0.21-1.384×0.5-0.056×1.5=0.064（mol）

n(N2等)=4×0.79=3.16（mol）

则总的物质量为n= 0.56+0.064+1.384+2.796+0.056＋3.16=8.02（mol）y(CH3OH) =0.56/8.02=6.98%

y(O2) =0.064/8.02=0.80%

y(HCHO) =1.384/8.02=17.26%

y(H2O) =2.796/8.02=34.86%

y(CO2) =0.056/8.02=0.70%

y(N2) = 3.16/8.02=39.40%

习题1—６：丁烯制丁二烯48462C H C H H +，已知反应的步骤为

4848484624646()()()()()()()()

()

A C H C H

B

C H C H H C C H C H +++ （１）请分别导出（A ）（C ）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。

（２）请分别导出（B ）为控制步骤的均匀吸附动力学方程,若反应物和产物的吸附都很弱，问此时反应对丁烯是几级反应？ 解：记 A=C 4H 8 B=C 4H 6 C=H 2 (A) 为控制步骤：

00B C B C A A B C

B C

(1) 1(2) 11(3)

(4) 1A

A A A aA dA aA A dA A

A A A

B B A B B p p

aA A dA A

p

A A

B B

p

r r r k p k b p b p b p b p b p p p p p K p p K p p k p k b K r p p b b p K θθθθ***

*

*

--=＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝

＋＋

(C) 为控制步骤

0*

*

A C

B C

A B C

A C

(1) 1(2) 11(3) (4) 1B

B

B dB aB dB B aB B B B A A B B A A B p B p A p dB B

aB A p A A B

r r r k k p b p b p b p b p b p K p p p K p p p K p k b k p p r K p b p b p θθθθ**

*

--=＝＝＝,＝＋＋＋＋，＝－＝

＋＋

（B ）

''1A A B B c A A B c A A B B

kb p k b p p r k k p b p b p θθ-=-=

++

的情况，当反应物和产物的吸附都很弱时，即11A A B B

b p b p ++≈ 故'A A A B B

c r kb p k b p p =-

可见，反应对于A 为一级。

2-5. 乙烯直接水和制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃，7.09Mpa

下，k=0.09s -1，D eff =7.04×10-4cm 2/s ，采用直径与高为5mm 的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。

解:对于一级不可逆反应,颗粒催化剂的内扩散有效因子与颗粒的几何形状无关,一律可按球

形计算,此时φ=

Vp

Sp

Vp Sp =22.222.2R R R R R

πππ+=3

R ∴φ=

3

R 0.5

3=0.942

ξ=111(3)3th φφφ⎡⎤-⎢⎥⎣⎦=111

0.492(30.942)30.492th ⎛⎫- ⎪⨯⨯⎝⎭=0.69

∴ 内扩散因子为0.69

2-6 某催化剂在500℃下进行，已知本征反应速率r A =7.696× 10-52

A p mol/（g ·s ），（式中A p 的

符号为MPa ），催化剂为φ5mm ×5mm 园柱体，p ρ=0.8g/cm 3，颗粒外表面A 的分压

A P =0.101325MPa ，粒内组分A 的有效扩散系数eff D =0.025cm 2/s 。求催化剂的内扩散有效因

子。

解： A r =7.696× 10-52

A p mol/（g ·s ），

A P V=nRT ⇒A P =

n

RT V

=A C RT ∴ r A =7.696×10-17(RT)22

A C • mol/（g ·s ） ∴ W K =7.696×10-17(RT)2 6m /(g ·mol ·s)

V K =W K ·p ρ=7.696×10-17（RT ）2 ×0.8×106 3m /mol ·s 根据Kjaer 近似解， φ

=32.5103-⨯ =0.1493 ∴ξ=111(3)3th φφφ⎡⎤

-⎢

⎥⎣⎦

=0.99