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。 3

若将反应速率写成 rA

dcAdt

，有什么条件?

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，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。 (1)A+2B C A+C D (2)A+2B C B+C D C+D→E (3)2A+2B CA+C D

2

rA k1cAcB k2cC k3cAcC k4cD

解.(1)

2rB 2k1cAcB 2k2cC

rC kcc k2cC k3cAcC k4cDrD k3cAcC k4cD

2rA k1cAcB k2cC

2rB 2k1cAcB 2k2cC k3cBcC k4cD

2

1AB

(2)

rC kcc k2cC k3cBcC k4cD k5cCcD k6cErD k3cBcC k4cD k5cCcD k6cE

21AB

22

rA 2k1cAcB 2k2cC k3cAcC k4cD

(3)

22rB 2k1cAcB 2k2cC

rC kcc k2cC k3cAcC k4cDrD k3cAcC k4cD

22

1AB

6

气相基元反应A+2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc=2.65×104m6kmol-2s-1。现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）

T 273 30 303Kkc 2.65 104m6kmol 2s 1c

pRT

2

2cAB

p p

rA kcc kcA B

RT RT

2

rA kppApB

kc2.65 104m6kmol 2s 1

kP

(RT)38.314kJ kmol 1K 1 303K

1.655 10 6kmol m 3s-1kPa-3

7

有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80％，经过18min后，

kt

1x AcA01 xA

10.81

(kcA0)8min

81 0.82

转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。10.91

(kcA0)18min

181 0.92

假设正确，动力学方程为dc2 A kcA

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5m3时C的生成量。已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA饱和=0.02 kmol·m-3，水溶液流量为10m3hr-1。 解

rA kcAcB由已知条件，cA与cB均为常数

rA 1 0.02 3 0.06kmol m 3hr 1

5m3

反应时间即液相在反应器中的停留时间 0.5hr

10m3hr 1

C的生成量NC 0.06kmol m 3hr 1 0.5hr 5m3 0.15kmol

9

据

总压/MPa 半衰期/s 求此反应的级数。 解

0.0272 265

0.0326 186

0.0381 135

0.0435 104

反应2H2 2NO N2 2H2O，在恒容下用等摩尔H2，NO进行实验，测得以下数

0.0543 67

dpAn

kppAdt

pA

t1pA0

p ndpA kpdt

p ndpA dt

pA

n 1pA

kpt

n 1p

A0

1 n1 n

p1 kptA0 pA

n 1

t t1pA 0.5pA0

1 0.51 n1 n

pA0 tkpn 1pA0tlnt2

0.13602655.580

186

1 n1 n1 n

p1pA0 kpt2A0 0.5n 11 0.51 nln 1 n lnpA0 lntkpn 1

pA0

1p总2

0.16300.19051354.905

0.21751044.644

0.2715674.205

lnpA0 1.995 1.814 1.658 1.526 1.304

5.226

lnt2对lnpA0作图，得直线

ln t1/2

Y = A + B * X Parameter

A B

Value 1.60217 -1.9946

Error 0.01399 0.00834

斜率 1.9946

10

1.9946 1 nn 3三级反应

考虑反应A 3P，其动力学方程为 rA总压表示的动力学方程。

1dnAn

kAVdtV

试推导在恒容下以

解

t 0t tpA

3pA0 p总 V1

3pA0 p总 nA 22RT

V

dnA dp总

2RT V 3pA0 p总 Vdp总 12RT k VdtVdp总

3pA0 p总 dt

11

.A和B在水溶液中进行反应，在25℃下测得下列数据，试确定该反应反应级数和反应速度常数。 cA/kmol·m-3 -3解

由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B→产物进行 设为二级反应

99.0 90.6 83.0 70.6 65.3 42.4 AnA0pA0nApAP003 nA0 nA 3 pA0 pA

p总pA03pA0 2pA

1ccdcA

lnAB0 kcAcB积分得：kt

cA0 cB0cA0cBdt

以

1c

cclnA

对t作图若为直线，则假设正确。

A0 B0cB

由cA0-cB0=42.4整理得数据如下：

t

116.8 319.8 490.2 913.8 1188 y 1lncA

0.0132 0.0149

0.0169

0.0216

0.0247

c

A0 cB0cB

线性回归：

y

t

Y = A + B * X Parameter

Value Error A 0.01166 1.84643E-4 B

1.08978E-5

2.55927E-7

y 1.0898 10 5t 0.01166 k 1.0898 10 5m3kmol 1s 1

dcAdt

1.0898 10 5

c AcB

12

丁烷在700℃，总压为0.3MPa的条件下热分解反应： C4H10→2C2H4+H2 (A) (R) (S)

起始时丁烷为116kg，当转化率为50%时

dpA

0.24MPa s 1，求此时dt

dpRdnSdyA

， dtdtdt

解

。

dpR dp

2 A 2 0.24 0.48MPa s 1 dt dt dpSdppVV AnS SdnS dpSdtdtRTRT

116nA0 2kmolxA 0.5时

58

nA 1kmol，nR 2kmol，nS 1kmol，nt 4kmol V

ntRT4 RT

p总300

dnSVdpS4dpS4 2.4 0.032kmol s 1dtRTdt300dt300

dyA1dpA1

0.24 0.8s 1 dtp总dt0.3

某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmol·m-3时，反应到某一浓度需要285s，初始浓度为1kmol·m-3时，反应到同一浓度需要283s，那么，从初始浓度为5kmol·m-3反应到1kmol·m-3需要多长时间？

13

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 …… 此处隐藏：3042字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……