化学反应工程郭锴第二版习题解答.docx

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化学反应工程郭锴第二版习题解答

第一章习题

1化学反应式与化学计量方程有何异同？

化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计

量系数有何关系？

答：

化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。

2何谓基元反应？

基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么？

何谓非基元

反应?

非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么？

答：

如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。

基元反应符合质量作用定律。

基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分

子的平均能量的高出值。

基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。

一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。

非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。

非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。

de

3若将反应速率写成「AA，有什么条件？

dt

答：

化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。

4为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器？

答：

在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。

5现有如下基元反应过程，请写岀各组分生成速率与浓度之间关系。

⑴A+2B?

CA+C?

D⑵A+2B?

CB+C?

DC+D>E

（3）2A+2B?

>CA+C?

D

「A

kieACbkzCc

k3eAeC

k4CD

「B

2kieAeB2k2eC

解.

（1）

「c

kieAeBk2eC

k3eAeC

k4^D

「D

k3eAeCk4eD

「A

KCaCbkzCc

2kieACb2k2CC

k3CBCc

k4CD

⑵

2

rCk1CAeBk2eCk3eBeCk4eDk5CCCDk6CE

rDk3eBeCk4eDk5eceDk6eE

kc=2.65x104mikmol-2s-1。

现

kcCAcBkcR^

2

Pb

RT

「A

22

2k|CACB2k?

Cck3CACck4C°

rc

22

2kjCACb2k?

Cc

k1CACBk2CCk3CACCk4CD

「D

k3CACck4CD

气相基元反应A+2B^2P在30C和常压下的反应速率常数

以气相分压来表示速率方程，即（-rA）=kppApB2,求kp=?

（假定气体为理想气体）

T27330303K

kc2.65104m6kmol2s1c卫

RT

kpPapB

kp

2.65

104m6kmol

3

（RT）8.314kJkmol1K1

303K

1.655106kmolm3s-1kPa-3

有一反应在间歇反应器中进行，经过

8min

后,

80%，经过18min后,

转化掉90%，求表达此反应的动力学方程式。

kt1

Ca01

Xa

Xa

1

0.8

1

（kCA0）8min

81

0.8

2

1

0.9

1

（kCA0）18min

—

—

18

10.9

2

假设正确，

动力学方程

为

反应物转化掉

dCA

dt

8反应A（g）+B（l）-C（l）气相反应物A被B的水溶液吸收，吸收后A与B生成C。

反应动力学方程为：

-rA=kCACB。

由于反应物B在水中的浓度远大于A,在反应过程中可视为不变，而反应物A溶解于水的速率极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。

试求此反应器中液相体积为5m时C的生成量。

已知k=1nikmol-1hr-1，CB°=3kmol•rrf，

CA饱和=0.02kmol•m3，水溶液流量为10nihr-1。

解

rAkcAcB由已知条件，cA与cB均为常数

rA10.0230.06kmolm3hr1

反应时间即液相在反应器中的停留时间

C的生成量Nc0.06kmolm3hr10.5hr

5m3

10m3hr1

0.5hr

3

5m0.15kmol

dp.

dt

PndPAkpdt

9反应2H22NON22H2O，在恒容下用等摩尔H2，NC进行实验，测得以下数据

总压/MPa

0.0272

0.0326

0.0381

0.0435

0.0543

半衰期/s

265

186

135

104

67

求此反应的级数

n1

Pa

Pa

kpt

Pao

1

P1nP1n

kpt

n1

n1

pA0pA

tt12

Pa

O.5Pao

11

4Pan1

00.51n

PA0kpt12

10.51

n

P1n

tV2ln

10.51n

1nln

PA0lnt12

Pao1P总

kpn

“PA0

1

kpn1

Pao

0.1360

0.1630

0.1905

0.2175

0.2715

t^'2

265

186

135

104

67

InPao

1.995

1.814

1.658

1.526

1.304

lnt.2

5.580

5.226

4.905

4.644

4.205

t12

0

dt

PndPA

Int12对InpA0作图，得直线

Parameter

Value

Error

A

1.60217

0.01399

B

-1.9946

0.00834

斜率1.9946

1.9946

1n

n3

Y=A+B*X

三级反应

—dnAk试推导在恒容下以

VdtV

10考虑反应A3P，其动力学方程为rA总压表示的动力学方程。

解

A

P

P总

t0

nA0

0

PA0

0

PA0

tt

nA

3nA0

nA

Pa

3Pa0

Pa

3Pa02Pa

1a

3Pa0P总V

Pa

3Pa0

P总

nA

2

2RT

dnA

V

dp总

2RT

V

dp总

3pA0

p总V

1

2RT

k-

2RT

VdtV

dp总

3Paop总

dt

11.A和B在水溶液中进行反应，在25C下测得下列数据，试确定该反应反应级数和反应速度常数。

时间/s

116.8

319.8

490.2

913.8

1188

oo

cA/kmolm-3

99.0

90.6

83.0

70.6

65.3

42.4

cB/kmolm'

56.6

48.2

40.6

28.2

22.9

0

解

由Ca-Cb=42.4可知反应应按下列方式A+M产物进行

设为二级反应

dCA

dt

kcAcB积分得：

kt

ln

CASo

CA0CB0CA0CB

t

116.8

319.8

490.2

913.8

1188

y1lnCa

Ca0Cb0Cb

0.0132

0.0149

0.0169

0.0216

0.0247

cA对t作图若为直线，则假设正确。

CB

由Cao-Cbo=42.4整理得数据如下:

In

线性回归:

Y=A+B*X

Parameter

Value

Error

A

0.01166

1.84643E-4

B

1.08978E-5

2.55927E-7

y1.0898105t0.01166

k1.0898105m3kmol1s1

dCA

dt

1.0898105cacb

12丁烷在700C，总压为0.3MPa的条件下热分解反应:

GH。

—2GH4+H2

（A）（R）（S）

起始时丁烷为116kg,当转化率为50%寸

dPA

dt0.24MPas

1，求此时

dpRdnsdyA

dt

dt

解

dpR

2

dpA

20.241

dt

dt

dps

dp

A

ns型

dt

dt

RT

116

2kmol

“A0

Xa

58

nA

1kmol

，nR

2kmol，ns

V

ntRT

4RT

P总

300

dns

Vt

dPs

4dps4

0.48MPa

dns

0.5时

Ikmol

dt

RTdt300dt

RT

dps

nt4kmol

240.032kmols1

300

dyA

dt

1dpA1

p总dt0.3

0.240.8s1

13某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmol•m时，反应到某一浓度需要285s，初始

_3._3

浓度为1kmol-m时，反应到同一浓度需要283s，那么，从初始浓度为5kmol-m反应到1kmol-m3需要多长时间？

解

t=285-283=2s

反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。

反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。

14在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：

CH3COOHC4H9OHH2S°4CH3COOC4H9H2O

ABRS

反应物配比为：

A（mol）:

B（mol）=1:

4.97，反应在100C下进行。

A转化率达50%需要时

间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失）计算反应器体积。

混合物密度为750kg•m3,反应器装填系数为0.75。

解

ABRS

Mi6074116

11001

R产量2400/24100kghr10.862kmolhr1

116

转化率50%，则A的投料量08621.724kmolhr1

0.5

折算成质量流量1.72460103.4kghr1

A:

B1:

4.97则B投料量1.7244.9774634.1kghr1

总投料量103.4634.1737.5kghr1

7375

换算成体积流量0.9834m3hr1

750

546

总生产时间24.63054.6min折合沖0.91hr

60

反应器有效体积0.98340.910.8949m3

089493

反应器总体积1.2m3

0.75

15反应（CH3CO）20+HO2CHCOOH在间歇反应器中15'C下进行。

已知一次加入反应物料

50kg，其中（CfCObO的浓度为216mol•m3，物料密度为1050kg•m3。

反应为拟一级

7_1_1

反应，