【正文】 應(yīng)，乙醇的生成速率又是多少？解：（ 1）恒容過(guò)程，其反應(yīng)式可表示為：反應(yīng)速率式表示為： A?B?C?D22設(shè)為理想氣體，反應(yīng)物 A 的初始濃度為：rA?kCA?kCA0(1?XA)CA0?PyA0?2???10mol/l??10?483rA?kCA0(1?XA)??1014exp(?18973/T)?CA0(1?XA)??1014exp(?18973/483)??10?2?()??10?6mol/ 亞硝酸乙脂的分解速率為： 乙醇的生成速率為：RA?rA??10?6mol/（ 2）恒壓過(guò)程，由于反應(yīng)前后摩爾數(shù)有變化，是個(gè)變?nèi)葸^(guò)程，由（ ）式可求得總摩爾數(shù)的變化。 RD?rA??10?6mol/?A???t/?A??1 由于反應(yīng)物是純 A，故有： yA0=1。由（ ）式可求得組分的瞬間濃度：CA0(1?XA)?10?2(1?)CA????10?2mol/l1?AyA0XA1?1?1??kCA??1014exp(?18973/483)??10?2?3.395?10?6mol/： 甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及 750℃ 等溫下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為 1： 4，若這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)，已知k=2l/,試求：（ 1） （ 1） 反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為 ，當(dāng)反應(yīng)器出口的 CH4轉(zhuǎn)化率為 80%時(shí)，CO2和 H2的生成速率是多少？ （ 2） （ 2） 反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如（ 1）， CO2的生成速率又是多少？解：（ 1）由 題 意 可 將 反 應(yīng) 速 率 表 示 為 ：1RD?rA??10?6mol/?2H2O?CO2?4H2A?2B?C?4D 對(duì) 于 恒 容 過(guò) 程 ， 則 有rC?kCACBCA?CA0(1?XA)CB?CB0?2CA0XACA0CB0PA00.1013??3????10mol/l??10?1023?4CA0?4?82?10?3??10?3mol/l 當(dāng) XA0= 時(shí)CA?CA0(1?XA)??10?3???10?4mol/lCB?CB0?2CA0XA??10?3?2??10?3???10?3mol/lRC?rC?kCACB?2??10?4??10?3??10?6mol/?4rC?4??10?6??10?5mol/（ 2）對(duì)于恒壓過(guò)程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程，由（ ）式可求得總摩爾數(shù)的變化 ?A???t/?A??2反應(yīng)物 A的原始分率： yA0?由（ ）式可求 得 轉(zhuǎn) 化 率 為 80% 時(shí) 的 濃 度 ：1??4C(1?X)?10?3(1?)CA????10?4mol/l1?AyA0XA1?2?? CB0??10?3?2??10?3?????10?5mol/l1?AyA0XA1?2???kCACB?2??10?4??10?5??10?6mol/?rC??10?6mol/ 在 473K等溫及常壓下進(jìn)行氣相反應(yīng)：（ 1） A?3R rR?（ 2） A?2S rS?（ 3） A?T rT?式中 CA為反應(yīng)物 A的濃度（ mol/l），原料中 A和惰性氣體各為一半（體積比），試求當(dāng) A 的轉(zhuǎn)化率達(dá) 85%時(shí)，其轉(zhuǎn)化速率是多少？ 解：方法（ 1），先求出總摩爾變化數(shù) ?A。首先將產(chǎn)物的生成速率變?yōu)閷?duì)應(yīng)的反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化速率：1rAR?rR??rS??rT?為：以一摩爾反應(yīng)物 A 為基準(zhǔn)，總摩爾變化數(shù)為：RA?rAR?rAS?rAT??A? 初 始 濃 度 為 ：?3??2??1???2??1.288?10mol/l??10?473CA0? 則有CA0(1?XA)?10?2?????10?3mol/l1?AyA0XA1??? 方法（ 2 ），可將 CA 表示為：RA????10?3??10?3mol/ C(1?X)CA?1?yA0?AjXAj?AR??AS?AT3?1?212?1??11?0 方法（ 3），利用物料衡算可分別求出反應(yīng)物 A生成 R及 S的瞬間選擇性 SR,SS,因而可求出產(chǎn)物 R 及 S 的收率 yR,yS,求得 A轉(zhuǎn)化率為 85% 時(shí)的分率：??1????10?2???623?10?3mol/l1??????10?3?71?10?3mol/??AjXAj?2?yA?yA0(1?yR?yS?yT)??2yA0yR?yA0ySCA?2CAOyA??10?2??2??10?3mol/lRA????10?3??10?3mol/n 其中：SR??(??)??(??)?????? Pt 催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以 A,B及 R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：（ 1） A???A? （ 2）A??B??R（ 3） B??B??若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)外，其它兩步達(dá)到平衡，描述如下：C6H5CH(CH3 ）2?C6H6?C3H6A???A?A??B??RKA?pA?VB??B????rA?k?A?kpR?B?A?rA?k?A?kpR?Bp?KB??B?KBpB?V??A?KApA?V?B以表面反應(yīng)速率方程來(lái)代表整個(gè)反應(yīng)的速率方程：由于 ?A??B??V?1 將 ?A,?B 代 入 上 式 得 ：KApA?V?KBpB?V??V?1整理得： 1?KApA?KBpB將 ?A,?B,?V代入速率方程中 ??kKpkpKpk(p?pp)/KrA???1?KApA?KBpB1?KApA?KBpB1?KApA?KBpB 其中 ???k?kKAKP?kKA/上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)： ?V?12C2H4?O2?2C2H4O 化作2(A)?(B2)?2(R) 其反應(yīng)步驟可表示如下：（ 1） A???A? （ 2）B2?2??2B? （ 3） A??B??R???（ 4） R??R??若是第三步是速率控制步驟， 試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其余近似達(dá)到平衡，寫(xiě)出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式： (1)A???A??A?KApA?V整個(gè)反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來(lái)表示： 根據(jù)總覆蓋率為 1的 原 則 ， 則 有： 或整 理 得 ： (2)B2?2??2B??B?V (4)R??R???R?KRpRV ??rA?k?A?B?k?R?V?A??B??R??V?1KApA?V?V?KRpR?V??V?1?V?將 ?A,?B,RV代入反應(yīng)速率方程，得：化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53_化學(xué)反應(yīng)工程答案 ??22rA?kKApV?kpRKR?V?其中 ?K?k/ 設(shè)有反應(yīng) ?B?D，其反應(yīng)步驟表示如下：（ 1） A???A? （ 2） A??B??D （ 3） B??B???k?kK若（ 1）速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方 程 。 解 ： 先 寫(xiě) 出 各 步 的 速 率 式 ：(1)A???A?(2)A??B??D(3)B??B??r1?kaApA?V?kdA?Ar2?kS?Ar3?kdB?B?kaBpA?V 由于（ 1）是速率控制步驟，第（ 2）步是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率應(yīng)等于（ 1）的吸附速率，故有： 整理得： kaApA?V?kdA?A?kS?A?A?根據(jù) 定態(tài)近似原則kp?kS?kdAd?B?kS?A?kdB?B?kaApA?V?0dtkkpkdB?B?kS?A?kaApA?V?(?kaBpB)?VkS?kaAkSkaApA?kaBpB)?V/kdBkS?kaA 因?yàn)??A??B??V?1?B?( 將 ?A,?B 代入上式，化簡(jiǎn)后得： ?V?1?1?KBpBkS?kdA最后將 ?A,?V代入吸附速率式，即為 該 反 應(yīng) 的 動(dòng) 力 學(xué) 方 程 式 。kaApA?kdAr1?1?kaApAkS?kdAkaApA?KBpBkS?kdA?kSkaApAkS?kdA?kaApA?(kS?kdA) 一氧化碳變換反應(yīng)：在較低溫度下，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：CO(A)?H2O(B)?CO2(C)?H2(D)r?試擬定該反應(yīng)的合適的反應(yīng)步驟。解：根據(jù)題意，假設(shè)反應(yīng)步驟如下：kpp1?KApA?KCpC(1)A???A?(2)A??B?C??D 并假設(shè)第二步是控制步驟，其速率方程就代表了整個(gè)反應(yīng)的速率方程： 其余 的 兩 步 可 認(rèn) 為 達(dá) 到 平 衡 ， 則 有 ：(3)C??C??r?kS?ApB?A?KApA?V?C?KCpC?V 由于 ?A??B??V?1，有： ?V?11?KApA?KCpC 將 ?A,?V代入速率式，得： kKppkpp?1?KApA?KCpC1?KApA?KCpC 式中k?kSKA。故上述假定與題意符合。但上述假定的反應(yīng)步驟不是唯一的。 r? 利用習(xí)題 的數(shù)據(jù)，試用積分法和微分法求其動(dòng)力學(xué)方程。解：先用積分法求其動(dòng)力學(xué)方程。 設(shè)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，其速率表達(dá)式為： rA??積分得：dCA?kCAdtCA0kt?ln()CACln(A0)CA 表示為： rA??用微分法求解動(dòng)力學(xué)方程首先用 CA～ t 曲線，在曲線上取時(shí)間為 0， 1，2， ……9h 所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切線，為了準(zhǔn)確可采用鏡面法，求得各切線的斜率即為對(duì)應(yīng)的 dCA/dt 之值， 然后再以 AA方程可表示為： dCA?(?或?qū)⑺俾史匠讨本€化，即兩邊取對(duì)數(shù)，得： dCA?+ax形式，利用多元回歸，可求得反應(yīng)級(jí)數(shù) n=≈1，反應(yīng)速率常數(shù)值為 k=。還可用一數(shù)學(xué)公式來(lái)擬合 CA～ t曲線，然后再將該數(shù)學(xué)公式對(duì) t 求導(dǎo)，求得 dCA/dt 之值，此法會(huì)比作圖法來(lái)的準(zhǔn)確。 在 Ni 催化劑上進(jìn)行甲烷化反應(yīng)：dC)?lnk?nlnCAdtCO?3H2?CH4?H2O 數(shù)及正反應(yīng)速率常數(shù)。解：由題意可寫(xiě)出速率方 程式：但由于氫的分壓保持為 的恒定值，反應(yīng)速率式可簡(jiǎn)化為：arCH4?kpCOa?rCH4?k pCOpH2式中 k?k pH2?。將速率式直線化： lnrCH4?lnk?alnpCOCH4 式中系數(shù)計(jì)算式：或y?b?ax，由殘差平方和最小而導(dǎo)出最小二乘法的y?lnr,b?lnk,x??lnpCOxy?mxya????x???m?x221b??y?a?x????m將累加值代入a,b(?)?(?)?5????12(?)?5??1???(?)????5k??10?2RCH4?rCH4?44?10?2pCOkmol/(1?KBpB)，乙烯深度氧化的動(dòng)力學(xué)方程可表示為： r?式中 pA,pB 試求該溫度下的反應(yīng)速率常數(shù) k 和吸附平衡常數(shù) KB。解：首先將動(dòng)力學(xué)方程式直線化： r?kpp?2(1?KBpB)或 y=b+ax。其中 ???10??11??10a???4??10?11??101?2?b?????10???111k?2?85.73bKB?????103r??1??103pB?2 平均偏差 ??%，結(jié)果是令人滿意的。 3 釜式反應(yīng)器 在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：CH3COOC2H5?NaOH?CH3COONa?C2H5OH 該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為 ，反應(yīng)速率常數(shù)等于 。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%。試問(wèn)：（ 1） （ 1） 當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為 1m3 時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？化學(xué)反應(yīng)工程第五版答案 53_化學(xué)反應(yīng)工程答案（ 2） （ 2） 若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為 2m3 ， 所 需 的 反 應(yīng) 時(shí) 間 又是 多 少 ？t?CA0?XAfXAfdXdX1X?CA0???2220(?RA)kAC(1?X)kCA01????()解：（ 1） ??(2) 因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無(wú)關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)間仍為 。 化反應(yīng) ： 以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為 20 ㎏ /h，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為 1： 1，混合液的比重為 。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于 ，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%。（ 1） （ 1） 若輔助時(shí)間為 ，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積； （ 2） （ 2） 若裝填系數(shù)取 ，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為 ,84 和 62kg/kmol, 每 小 時(shí) 產(chǎn) 乙 二 醇 ： 20/62= kmol/hCH2ClCH2OH?NaHCO3?CH2OHCH2OH?NaCl?CO20.3266??：?30%?84?：?15%???： ?1000CA0??：反應(yīng)時(shí)間：?CA0??????00kCACBkCA0(1?XA)5.2?? 反 應(yīng) 體 積 ：Vr?Q0(t?t )??(?)??（ 2） （ 2） 反應(yīng)器的實(shí)際體積： 丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：???HCl?C2H5COOH?NaCl 為二級(jí)可逆反應(yīng)（對(duì)丙酸鈉和鹽酸均為一級(jí)），在實(shí)驗(yàn)室中用間歇反應(yīng)器于 50℃ 等溫下進(jìn)行該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)開(kāi)始時(shí)兩反應(yīng)物的摩爾比為 1，為了確定反應(yīng)進(jìn)行的程度，在不同的反應(yīng)時(shí)間下取出 10ml反應(yīng)液用 NaOH溶液滴 定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)時(shí)間下， NaOH 溶液用量如下表所示：，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的 90%。試計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定（ 1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（ 50℃ ）所需的時(shí)間為 20min，且在加熱過(guò)程中不進(jìn)行反應(yīng)；（ 2）卸料及清洗時(shí)間為 10min；（ 3）反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物密度恒定。解：用 A,B,R,S 分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸的濃度（也就是丙酸鈉的濃度，因?yàn)槠溆?jì)量比和投量比均為 1： 1）為：CA?