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1、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-H=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2.1,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
2、/20.2100=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O2:6000/2816/0.2016=63.6(mol)空气消耗速率:63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg,习题 2.1,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:,重要知识点:,关键组分的转化率,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,该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:,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
3、解率为80%时,亚硝酸分解速率及乙醇的生成速率.,习题2.2,t(1-x)x 0.5x 0.5x,反应总压力:P=1+x=1.8(at),知识点:反应速率:Arrhenius law:,习题2.3,对于不可逆基元反应：aA+bBcC+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,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,什么是基元反应？,反应物分子在碰撞中一步直
4、接转化为生成物分子的反应.,Guldberg and WaageJ.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+5O24NO+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,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:,氨浓度:CA=15%C=29
5、.59(mol/m3),4NH3+5O2+inert 4NO+6H2O+inertnA0 nB0 ni0 nP0 nS0 ni0 t=0nA nB ni0 nP nS ni0 t=tnA=nA0(1-x)nB=nB0-(b/a)nA0 xnP=nP0+(p/a)nA0 x ns=ns0+(s/a)nA0 x 膨胀因子:当每消耗(或生成)1mol反应物A(或产物P)时,整个物系总摩尔数的变化值.,习题2.4,nt=n0+AnA0 x,恒容反应:P=P0(1+0.0375x),恒压反应:P=P0,膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:,以膨胀率表征变容程度时,不但要考虑反应的计量关系,还
6、要考虑系统内是否含有惰性气体,而以膨胀因子表达时,与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=2.65104 L2/(mol2s).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?,习题2.5,反应速率常数的kp值:,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:,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,K0=1641236.4(1/h),习题2.7,乙醇同乙酸在盐酸
7、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:rA=k1CACB-k2CpCsk1=4.7610-4 m3/(minkmol)k2=1.6310-4 m3/(minkmol)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,习题2.7,CH3COOH+C2H5
8、OH=H2O+CH3COOC2H5CA0 CB0 Cp0 t=0CA0(1-x)CB0-CA0 x Cp0+CA0 x CA0 x t=t,习题2.7,CA0=4.066mol/m3 CB0=10.43mol/m3CP0=17.96mol/m3 x=0.356,令,习题2.7,(2):忽略逆反应的影响,x=0.418 乙醇转化率:(CB0-CA0 x)/CB0=0.839(3)平衡转化率,xe=0.5465,等温恒容不可逆反应的动力学方程,等温恒容可逆反应的动力学方程,习题2.10,乙炔与氯化氢在HgCl2/活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应 C2H2+HCl=C2H3Cl其动力学方程有以下几种可
9、能的形式:(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假设及其控制步骤,习题2.10,(1)机理:A+A B+B A+BC+(控制步骤)CC+,kaApAv-kdAA=0 A=KApAVB=KBpBV C=KCpCV,A+B+C+V=1 v=1/(1+KApA+KBpB+KCpC),r=k+AB-k-CVr=k(pApB-pc/K)/(1+KApA+KBp
10、B+KcPc)2k=k+KAKB K=k+KAKB/(k-KC),习题2.10,(2)机理:A+1A B+2B2 A1+B2C2+2(控制步骤)C2C+2,(2)机理:A+1A B+2B2 A1+B2C2+2(控制步骤)C2C+2,kaApAv1-kdAA=0 A=KApAV1A+V1=1 V1=1/(1+KApA),B=KBpBV2 C=KCpCV 2B+C+V2=1 v2=1/(1+KBpB+KCpC),r=k+ABr=kpApB/(1+KApA)(1+KBpB+KcPc)k=k+KAKB,习题2.10,(3)机理:A+A B+BA+BC+(控制步骤),kaApAv-kdAA=0 A=KA
11、pAVB=KBpBV B+A+V=1 v=1/(1+KBpB+KApA),r=k+ApBr=k+KApApB/(1+KBpB+KAPA),习题2.10,(4)机理:B+B CC+A+B C(控制步骤),kaBpBv-kdBB=0 B=KBpBVC=KCpCV C+B+V=1 v=1/(1+KBpB+KCpC),r=k+pABr=k+KBpApB/(1+KBpB+KCPC),习题2.10,解题要点:,根据吸附项的幂可以确定有几个活性点参加此控制反应,根据吸附项中是否出现开根号,可以判断是否有物质解离,根据推动力项中是否出现减号,可以判断是否是可逆反应,根据推动力项中反应物出现的幂数可以确定参加反
12、应的物质的数量,习题2.11,水蒸汽和一氧化碳变换反应CO+H2O=CO2+H2在以Fe3O4为主剂的催化剂上进行的Redox反应.该反应的机理为:氧化过程:H2O+=O+H2还原过程:CO+O=CO2+在不同的温区,反应的控制步骤可能发生变化.试分别推导:(1)过程为氧化步骤控制时的动力学方程(2)过程为还原步骤控制时的动力学方程,习题2.11,(1)氧化步骤控制,还原反应采用拟稳态:,k2+pCOO-k2-pCO2V=0V=KpCO/(pCO2+KpCO)K=k2+/k2-O=pCO2/(pCO2+KpCO),r=k1+pH2OV-k1-pH2 O=(k1+KpH2OpCO-k1-pH2p
13、CO2)/(pCO2+KpCO),习题2.11,(2)还原步骤控制,氧化反应采用拟稳态:,k1+pH2OV-k1-pH2O=0V=pH2/(K1pH2O+pH2)K1=k1+/k1-O=K1pH2O/(K1pH2O+pH2),r=k2+pCOO-k2-pCO2 v=(k2+K1pCOpH2O-k2-pCO2pH2)/(K1pH2O+pH2),习题2.12,在氧化钽催化剂上进行乙醇氧化反应：C2H5OH(A)+0.5O2(B)CH3CHO(L)+H2O(M)乙醇和氧分别在两类活性中心1和2上离解吸附，反应机理为：C2H5OH+21=C2H5O1+H1O2+22=2O2C2H5O1+O2-C2H4
14、O+OH2+1OH2+H1=H2O2+1H2O2=H2O+2试推导该反应的动力学方程式。,习题2.8,用纯组分A在一恒容间歇反应器中进行可逆反应A=2.5P,实验测得反应体系的压力数据为:,试确定该反应的速率方程式,习题2.8,设反应为一级可逆反应:-rA=k1CA-k2(CA0-CA),积分得:,作图,K=k1/k2=(CA0-CAe)/CAe=4k1=0.129 k2=0.0322-rA=0.129CA-0.0322(CA0-CA),习题2.9,有一复杂反应,如果几个反应的指前因子相差不大,而活化能E1E2,E1E3,E4E3.应如何控制操作温度才能使产物S的收率增大?,习题2.9,rs=
15、k3CB-rA=(k1+k2)CA,物料流率:反应时间:所需反应器体积:,习题3.1,习题3.2,等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应,13min后反应物转化率达到70%.如果分别在平推流和全混流反应器中进行此反应,达到相同转化率,所需空时多少?,习题3.2,解:一级反应,间歇过程:ln(1/(1-x)=kt得:k=0.0926平推流与间歇釜相同,为13min全混流:t=x/k(1-x)=25.19(min),习题3.3,习题3.3,50%A时,yA0=0.5,CA0=244.47 mol/m3=1,k=0.05676单管流量:4.7328m3/h,故需管数:68根,并联,习题3.4,一级反
16、应,停留时间t=8.5S Vsp=1/t=0.117,反应器体积:V=2.8m3,进料物流:,3.5,时间t=507.6min,平推流,V0=171.23ml/h,全混流,时间t=2538.1min,反应器体积:V=1448.67mL,反应器体积:V=7243.4mL,习题3.7,乙酸酐在25等温水解,加料速度为500ml/min,反应速率为rA=0.158CA,(1)以一个5L全混流或两个2.5L串联全混流,那一种情况的转化率大(2)两个2.5L全混流并联,每个加料速率250ml/min,转化率为多少?(3)2.5L平推流和2.5L全混流串联,求转化率(4)5L平推流反应器操作,求转化率?,
17、习题3.7,(1)5L全混流:得xA=0.6124 2.5L两釜串联:xA1=0.4413 xA2=0.6879(2):停留时间相同,故转化率相同xA=0.6124(3):kt=-ln(1-xA1)得转化率为:xA1=0.546xA2=0.7465(4):kt=-ln(1-xA)得转化率为:xA=0.794,习题3.9,(1)平推流:全混流:(2)二级反应:平推流:全混流:,习题3.9,(2)级反应 平推流:全混流:(2)-1级反应:平推流:全混流:,习题3.9,(3)一级反应为例 平推流:全混流:xA=0.6,km=1.637kp Tm=158.9xA=0.9 km=3.908kp Tm=1
18、75.6,习题3.10,平推流:即ABC组分B的收率:CB/CA0=47.73%,习题3.10,全混流:即ABC组分B的收率:CB/CA0=33.33%,3.11,A与B停留时间相同,则B的转化率XB=1/6,因而产品中R为:75%,习题3.12,(1)c(t)t 曲线=5min（2）V=V0=2840L,习题3.12,(3)平推流：xA=0.857(4)全混流：xA=0.667(5)完全离析流：xA=0.8305,习题3.12,(6)最大混合模型Euler式转化率：0.79,习题3.14,习题3.14,转化率：,习题3.15,解:(1):,习题3.15,习题3.15,(3)F(t)|t=23
19、0-270=0.37(4):F(t)|t=250=0.42(5):(7)方差:(8):平推流:2=0 全混流:2=2实际反应器0222=6844234,习题4.9,在直径6mm的球形催化剂上进行一级不可逆反应.CAs=9.510-5mol/cm3,Ts=623K,k(Ts)=11.8s-1.(-Hr)=3.15104cal/mol,E=2.48104cal/mol.催化剂有效导热系数4.810-4cal/(cmsK),De=1.510-2cm2/s.(1)颗粒中心与催化剂外表面的最大温差(2)等温处理的效率因子(3)非等温处理的效率因子,习题4.9,(1):T-Ts=(-DHr)De(cAs-
20、cA)/e=93.52K(2):=(Kv/De)0.5=2804.8=R/3=2.8,=0.314(3):查图4.6=20.=0.15,=2.8,=1.3非等温,效率因子可大于1.差异非常大,习题4.13,900,1atm,含O28%的气体焙烧球形锌矿.2ZnS+3O22ZnO+2SO2反应按收缩未反应芯模型.k=2cm/s,B=4.13g/cm3=0.0425mol/cm3.De=0.08cm2/s.若气膜阻力可以忽略,试分别计算rs为1mm和0.05mm时颗粒完全反应时间及反应过程中产物层内扩散阻力的相对大小,习题4.13,考虑表面化学反应和内扩散阻力:结合:可得:,习题4.13,分别得到
21、完全反应的时间为:5432.7s和195.7s阻力比:取积分平均:因而可得:阻力比分别为0.417和0.021,习题4.14,1atmH2还原铁矿,4H2+Fe3O44H2O+3Fe反应可近似用收缩未反应芯模型.反应速率近似正比于气相中H2的浓度.k=1.93105exp(-2400/RgT)cm/s.rS=5mm,B=4.6g/cm3,De=0.03cm2/s,忽略气膜阻力,有无其它阻力控制,计算500时的完全反应时间,习题4.14,k=40516得总反应时间为6986.7s按内扩散计算为:6986.67s阻力比为:112545 内扩散控制,习题5.2,在连续流动反应器中,基元反应:A+B2
22、C,A、B等物质进料，体积流量为2L/s,27进料。HA273K=-20kcal/mol,HB273K=-15kcal/mol,Hc273K=-41kcal/mol,CA0=0.1mol/L,Cp,A=Cp,B=15cal/(molK),Cp,c=30,300K时，k=0.01L/(molS)E=10000cal/mol.(1)85%转化率，平推流、全混流绝热反应器体积（2）全部转化，反温度不超过550K，进料温度（3）平推流的转化率、温度变化曲线（4）500L绝热全混流反应器的转化率,习题5.2,解：(1)全混流反应器：Hr,273K=2Hc,273K-HA,273K-HB,273K=-47
23、kcal/mol=-196.46kJ/molCp=2Cp,c-Cp,B-Cp,A=30cal/(molK)=125.4 J/(molK)Hr(T)=Hr(Tr)+Cp(T-Tr)=-196.46103+125.4(T-273)F0Cp0=FA0Cp,A+FB0Cp,B+FC0Cp,C=20.1215=6cal/(sK)=25.08 J/(sK),习题5.2,FCpt=FA0(1-xA)Cp,A+FB0(1-xA)Cp,B+2FA0 xACp,C=20.1215+(220.130-220.115)xA=6+6xAcal/(sK)=25.08(1+xA)J/(sK)全混流热衡算：FCPtT-F0C
24、P0T0=-Hr(T)FA0 xAT=690.3KK=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)=130.33L/(mols)rA=kCACB=kCA2=kCA02(1-xA)2=0.029(mol/Ls)V=v0(cA0-cA)/rA=v0CA0 xA/rA=5.8L,习题5.2,管式反应器K=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)FCPtT-F0CP0T0=-Hr(T)FA0 xA积分可得反应器体积：62L为什么全混流体积比平推流小？,习题5.2,(2)进料最高温度 FCPtT-F0CP0T0=-Hr(T)FA0 xA其中:T=550K,xAf=1则求得T0=-18
25、9.7,习题5.2,习题5.2,(4)FCPtT-F0CP0T0=-Hr(T)FA0 xAK=k300exp(-E/RT)/exp(-E/RTr)=130.33L/(mols)rA=kCACB=kCA2=kCA02(1-xA)2V=v0(cA0-cA)/rA=v0CA0 xA/rA=500L设一转化率,求温度T,得到rA,再求V,试差计算得到最终转化率为:0.984,习题5.9,在平推流、全混流反应器中进行基元气相反应，进料温度27，含A80%，其余为惰性组分，进料速率100L/min，A进料浓度0.5mol/L，达到80%的绝热平衡转化率。（1）反应在平推流反应器中绝热进行，计算反应器体积。
26、（2）如果平推流反应器直径5cm，做出反应转化率和温度沿反应管长度的变化关系。（3）反应在全混流反应器中绝热进行，计算反应器体积。（4）如果反应在平推流反应器中进行，不绝热，反应器直径5cm，环境温度27，总传热系数h=10w/(m2K)，计算反应转化率、温度沿反应管长度方向的变化关系。物化数据为：Cp,A=12J/(molK)，Cp,B=10J/(molK)，Cp,l=12J/(molK)，300K时反应热Hr=-75000J/molA，300K时k1=0.217min-1,Ke=70000mol/L，k1随温度变化，340K时，k1=0.324min-1。,习题5.9,反应A2B初始反应物
27、量：nA0 CA0 惰性组分：0.2F0=0.25nA0反应达到平衡时：nAe,nB=2(nA0-nAe)平衡时的总摩尔数:nAe+2(nA0-nAe)+0.25nA0=2.25nA0-nAe平衡常数,习题5.9,而:由Vant Hoff方程有:平衡时的体积流量：平衡浓度：,习题5.9,平衡常数,热衡算:,设定平衡转化率,热衡算得温度,再比较平衡常数,试差得:0.0774,习题5.9,(1)平推流反应器体积的计算活化能的计算:k1=k2exp(-E/RT1)/exp(-E/RT2)=k2exp(E/R(1/T2-1/T1)E=Rln(k1/k2)/(1/T2-1/T1)=8498 J/mol温度与反应速率常数的关系:k=k1exp(-E/RT)/exp(-E/RT1)反应速率:rA=kCA=1.25kCA0(1-xA)/(1.25+xA)T0/T利用数值积分可求得V=2.66L,习题5.9,全混流反应器:V=v0(cA0-cA)/rA=v0CA0 xA/rA=1.75L,
