第二章1．在一管式反应器中等温下进行甲烷化反应：催化剂体积为10ml,原料气中CO含量为3％，其余为N2、H2,气体，改变进口原料气流量Q0 进行实验，测得出口CO 的转化率为：83.367.650.038.529.422.2X/%203040506070试求当进口原料气体流量为50ml/min 时的转化速率。
解：是一个流动反应器，由（2.7）式可知其反应速率为rA=－dFA/dVrFA= FA,0(1－XA)=Q0CA0(1－XA)dFA=－Q0CA0dXA故反应速率可表示为：rA= Q0CA0dXA/dVr=CA0dXA/d（Vr/ Q0）用XA－Vr/ Q0作图，过Vr/ Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dXA/d（Vr/ Q0）值aVr/ Q0 min 0.12 0.148 0.2 0.26 0.34 0.45XA % 20 30 40 50 60 70由（2.6）式可知rA=－dCA/dt=－d{CA0（1－xa）/ dt= CA0 dXA/ dt代入速率方程式CA0 dXA/ dt=0.8 C2A0(1－XA)2化简整理得dXA/(1－XA)2=0.8CA0dt积分得0.8 CA0t= XA/(1－XA)=9.6解得XA=90.59%2．在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为9.629×104J/mol，如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为550℃时的速率比反应温度为400℃时的反应速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其他条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
r550/r400=k550/k400=Aexp(－E/RT550)/ Aexp(－E/RT400)=eE/R(1/T400－1/T550)=23(倍)3．在一恒容反应器中进行下列液相反应式中分别表示产物R及D的生成速率。
反应用的原料为A与B的混合物，其中A的浓度为2，试计算A的转化率达到95％时所需的反应时间。
解：反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即RA=rR+2rD=1.6CA+16.4C2A=1.6CA（1+10.25CA）利用（2.6）式－dCA/dt=1.6CA（1+10.25CA）积分得1.6t=+Ln{[(1－XA)+1/10.25CA0]/(1+1/10.25CA0)}= －Ln（1－XA）解之得t=0.6332/1.6=0.3958h4．甲烷与水蒸气在镍催化剂及750℃等温下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1:4，若是这个反应对各反应物均为1级。
已知。
试求：（1）反应在恒容下进行，系统的初始总压为0.1013MPa，当反应器出口的CH4转化率为80％时，CO2,H2 的生成速率是多少？（2）反应在恒压下进行，其他条件如（1），的生成速率又是多少？解：（1）由题意可将反应速率表示为A+2B→B +4D rC=kCACB对于恒容过程，则有CA=CA0(1－XA)CB-=CB0－2CA0XACA0=PA0/RT=2.382×10-3mol/lCB0=4CA0=9.528×10-3 mol/l当XA=0.8时CA= CA0(1－XA)=4.764×10-4 mol/lCB-=CB0－2CA0XA=5.717×10-3 mol/lRC=rC=kCACB=5.447×10-6mol/（l?S）RD=4rC=2.179×10-5 mol/（l?S）（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求出总摩尔的变化数δA=∑t/A=（1+4－1－2）/1=2反应物A的原始分率：yA0=1/(1+4)=0.2由（2.52）式可得转化率为80%时的浓度：CA=CA0(1－XA)/(1+δA y A0 XA)=3.609×10-4mol/lCB-=（CB0－2CA0XA）/(1+δA yA0 XA)=4.331×10-3 mol/lrC= kCACB=3.126×10-6mol/(l?s)RC=rC=3.126×10-6mol/(l?s)5．在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应：以A、B及R 分别代表异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：若表面反应为速率控制步骤，试推导异丙苯分解的速率方程。
解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应外，其他两步过到平衡，描述如下：A+σAσKA=PAθν/θAθA= KA PAθνAσBσ+R rA=K1θA－K2PRθBBσB+σKB= PBθν/θBθB= KB PBθν以表面反应速率方程来表示整个反应的速率方程：rA= K1θA－K2PRθB由于θA+θB+θν=1将θA，θB代人上式得KA PAθν+ KB PBθν+θν=1整理得：θν=1/（1+KA PA+KB PB）将θA，θB，θν代人速率方程中rA=[k（PA－PBPR）/KP]/ （1+KA PA+KB PB）其中k= K1 KA，KP= K1 KA/ K2 KB6．设有反应A → B ＋ D ，其反应步骤表示如下：若（1）是速率控制步骤，试推导其动力学方程。
解：先写出各步的速率式：（1）r1=KaA PAθν－KdAθA（2）r2=KsθA（3）r3=KdBθB－KaB PBθν由于（1）是速率控制步骤，第（2）是不可逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有；KaA PAθν－KdAθA= KsθA整理得：θA= KaA PAθν/（Ks+KdA）步骤（3）可按平衡处理：θB= KB PBθν因为θA+θB+θν=1，将θA，θB代人上式，得：θν=1/[1+KaA PA/ （Ks+KdA）+KB PB]最后将θA，θν代人，即得该反应的动力学方程式r1= Ks KaA PA/[ Ks+ KdA+ KaA PA+（Ks+ KdA）KB PB]第三章3.1拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ，使用15％（质量分率）的水溶液及30％（质量分率）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇与碳酸氢钠的摩尔比为1:1，混合液的密度为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为1级，在反应温度下反应速率常数等于5.2，要求转化率达到95％。
（1）若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积；（2）若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：（1）氯乙醇，碳酸氢钠和乙二醇的分子量分别为80.5，84，62每小时产乙二醇：20/62=0.3226kmol/h每小时需氯乙醇：0.3226×80.5/0.95×30%=91.11 kg/h每小时需碳酸氢钠：0.3226×84/0.95×15%=190.2kg/h原料体积流量：Q0=（91.11+190.2）/1.02=275.8l/h氯乙醇初始浓度：CA0=0.3226×1000/0.95×275.8=1.231mol/l反应时间：t= CA0=2.968h反应体积：Vt= Q0（t+t'）=956.5 L（2）反应器的实际体积：V= Vt/j=1275 L3.2在间歇反应器中，在绝热条件下进行液相反应：其反应速率方程为：式中组分A及B的为单位，温度的单位为K，该反应的热效应等于－4000 。
反应开始时溶液中不含R，组分A和B的浓度均等于0.04，反应混合物的平均热容可按4.102计算。
反应开始时反应混合物的温度为50℃。
（1）试计算A的转化率达85％时所需的反应时间及此时的反应温度；（2）如果要求全部反应物都转变为产物R，是否可能？为什么？解：（1）T=T0+ CA0(－ΔHr)（XA－XA0）/=323+0.04×[－(－4000)] XA=323+39.01 XAt = CA0= CA0=91.32h（由数值积分得出）T=323+39.01×0.85=356.2 k（2）若A全部转化为R，即XA=1.0，则由上面的积分式知,t→∞, 这显然是不可能的。
3.3在一个体积为300 L的反应器中，86℃等温下将浓度为3.2 的过氧化氢异丙苯溶液分解：生产苯酚和丙酮。
该反应为1级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08 s-1，最终转化率达98.9％，试计算苯酚的产量。
（1）如果这个反应器是间歇操作反应器，并设辅助操作时间为15 min；（2）如果是全混反应器；（3）试比较上述两问的计算结果；（4）若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？解：(1) t= CA0= CA0=[Ln 1/（1－XA）]/k=56.37s=0.94minVr=Q0(t+t0)=300 LQ0=300/15.94=18.82 l/min苯酚浓度C苯酚=CA0XA=3.2×0.989=3.165 mol/l苯酚产量Q0C苯酚=18.82×3.165=59.56mol/min=335.9kg/h（2）全混流反应器Vr= Q0 CA0XAj/k CA0（1－XAj）= Q0 XAj/k（1－XAj）Q0= Vrk（1－XAj）/ XAj=0.2669 l/s=16.02 l/min 苯酚产量Q0C苯酚=16.02×3.1648=50.69mol/min=285.9kg/h（3）说明全混斧的产量小于间歇斧的产量，这是由于全混斧中反应物浓度低，反应速率慢的原因。
（4）由于该反应为一级反应，由上计算可知，无论式间歇斧或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于CA0浓度增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。
3.4在反应体积为490 cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应：以A代表NH3,B代表HCHO ，其反应速率方程为：式中。
氨水和甲醛水溶液的浓度分别为 4.06mol/L 和6.32 mol/L ，各自以1.50 的流量进入反应器，反应温度可取36℃，假设该系统密度恒定，试求氨的转化率XA 及反应器出口物料中氨和甲醇的浓度CA,CB。
解：CA0=4.06/2=2.03mol/l；CB0=6.32/2=3.16 mol/l; Q0=2×1.5=3.0cm3/sCA= CA0（1－XA）; CB= CB0－6CA0 XA/4=3.16－1.5×2.03 XAk=1.42×103exp(－3090/309)=0.06447Vr= Q0 CA0xAf/k CA CB2= Q0 CA0xAf/[k CA0（1－XA）（CB0－6CA0 XA/4）2] 得490=3xAf/[0.06447（1－XAf）（3.16－1.5×2.03xAf）2]整理得：xAf3－3.075xAf2+3.162xAf－1.077=0得：xAf=0.821反应器出口A,B的浓度为：CA= CA0（1－XAf）=0.3634 mol/lCB= CB0－6CA0 XAf/4=0.6601 mol/l3.5等温下进行1.5级液相不可逆反应：A→B+C，反应速率常数等于，A的浓度为2 kmol/m3 的溶液进入反应装置的流量为1.5 m3/h 。