化學(xué)的反應(yīng)工課后問題詳解

1、實用標(biāo)準文案第一章習(xí)題1化學(xué)反應(yīng)式與化學(xué)計量方程有何異同 ?化學(xué)反應(yīng)式中計量系數(shù)與化學(xué)計量方程中的計量系數(shù)有何關(guān)系 ?答：化學(xué)反應(yīng)式中計量系數(shù)恒為正值，化學(xué)計量方程中反應(yīng)物的計量系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)式中數(shù)值相同，符號相反，對于產(chǎn)物二者相同。2何謂基元反應(yīng)?基元反應(yīng)的動力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級數(shù)的含義是什么?何謂非基元反應(yīng) ?非基元反應(yīng)的動力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級數(shù)含義是什么?答：如果反應(yīng)物嚴格按照化學(xué)反應(yīng)式一步直接轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)物，該反應(yīng)是基元反應(yīng)。基元反應(yīng)符合質(zhì)量作用定律。 基元反應(yīng)的活化能指 1 摩爾活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值?；磻?yīng)的反應(yīng)級數(shù)是該反應(yīng)的反應(yīng)分子數(shù)。一切不符合質(zhì)

2、量作用定律的反應(yīng)都是非基元反應(yīng)。非基元反應(yīng)的活化能沒有明確的物理意義，僅決定了反應(yīng)速率對溫度的敏感程度。非基元反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)是經(jīng)驗數(shù)值，決定了反應(yīng)速率對反應(yīng)物濃度的敏感程度。3若將反應(yīng)速率寫成rAdcA ，有什么條件 ?dt答：化學(xué)反應(yīng)的進行不引起物系體積的變化，即恒容。4為什么均相液相反應(yīng)過程的動力學(xué)方程實驗測定采用間歇反應(yīng)器?答：在間歇反應(yīng)器中可以直接得到反應(yīng)時間和反應(yīng)程度的關(guān)系，而這種關(guān)系僅是動力學(xué)方程的直接積分，與反應(yīng)器大小和投料量無關(guān)。5 現(xiàn)有如下基元反應(yīng)過程，請寫出各組分生成速率與濃度之間關(guān)系。(1)A+2B ? CA+C?D(2)A+2B ? CB+C? DC+DE(3)2A+2

3、B ? CA+C? D解rAk1cA cB2k2cCk3 cA cCk4cDrB2k1cA cB22k2cC(1)k1cA cB2rCk2cCk3cA cCk4cDrDk3cA cCk4cDrAk1cA cB2k2cCrB2k1cA cB22k2cC k3cB cC k4cD(2)k1cA cB2rCk2cCk3 cB cCk4cD k5 cC cD k6cErDk3cB cCk4cDk5 cCcDk6cE精彩文檔實用標(biāo)準文案rA2k1cA2 cB22k2cC k3 cA cC k4 cDrB2k1cA2 cB22k2cC(3)k1cA2 cB2rCk2cC k3cA cC k4cDrDk3c

4、A cCk4cD6 氣相基元反應(yīng)A+2B 2P 在 30和常壓下的反應(yīng)速率常數(shù)kc=2.65× 104m6kmol -2s-1?，F(xiàn)以氣相分壓來表示速率方程，即(- rA )=kPpA pB 2，求 kP=?（假定氣體為理想氣體）解T27330303Kkc2.65 104 m6 kmol2s 1cpRT2rAkccA cB2kc pApBRTRTrAkp pA pB2kPkc2.65104 m6kmol2s 1(RT )38.314kJkmol 1K 1303K31.65510 6 kmol m 3s- 1kPa-37 有一反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進行，經(jīng)過 8min 后，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉 80

5、，經(jīng)過 18min 后，轉(zhuǎn)化掉 90，求表達此反應(yīng)的動力學(xué)方程式。解kt1xAcA01xA10.81(kcA0 )8 min10.82810.91(kcA0 )18 min10.9218假設(shè)正確，動力學(xué)方程為dcAkcA2dt8 反應(yīng) A(g) +B(l) C(l) 氣相反應(yīng)物 A 被 B 的水溶液吸收， 吸收后 A 與 B 生成 C。反應(yīng)動力學(xué)方程為： - r A=kcA cB。由于反應(yīng)物 B 在水中的濃度遠大于 A ，在反應(yīng)過程中可視為不變，而反應(yīng)物 A 溶解于水的速率極快，以至于A 在水中的濃度恒為其飽和溶解度。試求此反應(yīng)器中液相體積為5m3 時 C 的生成量。已知k=1m3 kmol

6、-1hr-1 ，cB0=3kmol ·m-3 ，cA 飽和 =0.02 kmol ·m-3，水溶液流量為 10m3hr-1。解精彩文檔實用標(biāo)準文案rAkcA cB由已知條件， cA 與 cB 均為常數(shù)rA1 0.023 0.06kmol m 3hr 15m3反應(yīng)時間即液相在反應(yīng)器中的停留時間 0.5hr 10m3 hr 1C的生成量 NC0.06kmol m 3hr 10.5hr5m30.15kmol9 反應(yīng) 2H2 2NO N22H 2 O ，在恒容下用等摩爾H2， NO 進行實驗，測得以下數(shù)據(jù)總壓 /MPa0.02720.03260.03810.04350.0543半衰

7、期 /s26518613510467求此反應(yīng)的級數(shù)。解dpAkp pAnp n dpAkp dtdtpAp n dpAt1 2pA 0dt0pAn1pA1kpt1 n1nkptnn1pA 0pA1 pA0t t1 2pA0.5 pA0n1pA1 0n0.51 n pA01nkp t1 211 0.51 npA1 0nt1 2ln 1 0.51 n1 n ln pA 0ln t1 2pA01 p總kp n1kp n 12pA00.13600.16300.19050.21750.2715t1 226518613510467ln pA01.9951.8141.6581.5261.304ln t1 2

8、5.5805.2264.9054.6444.205ln t1 2 對 ln pA0 作圖，得直線5.65.45.25.02t/14.8nl4.64.44.24.0-2.1-2.0-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2ln pA0Y=A+B*XParameterValueErrorA1.602170.01399B-1.99460.00834斜率 1.99461.99461 nn 3三級反應(yīng)精彩文檔實用標(biāo)準文案10考慮反應(yīng) A3P ，其動力學(xué)方程為 rA1dnAk nA 試推導(dǎo)在恒容下以總壓表VdtV示的動力學(xué)方程。解APp總t0nA00pA00pA0ttnA3 nA0n

9、ApA3 pA0pA3 pA02 pAp13 pp總nA3 pA0p總 VA2A02RTdnAVdp總2RT1Vdp總3 pA0p總 V2 RT2 RTkVdtVdp總3 pA0p總dt11 A 和 B 在水溶液中進行反應(yīng)，在 25下測得下列數(shù)據(jù)，試確定該反應(yīng)反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速度常數(shù)。時間 /s116.8319.8490.2913.81188cA /kmolm·-399.090.683.070.665.342.4cB /kmolm·-356.648.240.628.222.90解由 cA -cB=42.4 可知反應(yīng)應(yīng)按下列方式A+B 產(chǎn)物進行設(shè)為二級反應(yīng)dcAkcA cB 積

10、分得： kt1ln cA cB0dtcA0cB0cA0 cB以1ln cA對 t 作圖若為直線，則假設(shè)正確。cA0cB0cB由 cA0 -cB0=42.4 整理得數(shù)據(jù)如下：t116.8319.8490.2913.811880.01320.01490.01690.02160.0247y1ln cAcA0cB0cB線性回歸：精彩文檔實用標(biāo)準文案0.0260.0240.0220.020y0.0180.0160.0140.012020040060080010001200tY=A+B*XParameterValueErrorA0.011661.84643E-4B1.08978E-52.55927E-7y

11、 1.089810 5 t 0.01166k1.089810 5 m3 kmol 1s 1dcA1.089810 5 cA cBdt12 丁烷在 700，總壓為 0.3MPa 的條件下熱分解反應(yīng)：C4H 10 2C 2H4+H 2(A) (R)(S)起 始 時 丁 烷 為116kg ， 當(dāng) 轉(zhuǎn) 化 率 為50% 時dpA0.24MPa s 1 ， 求 此 時dtdpR ，dnS ，dyA 。dtdtdt解dpR2dpA20.240.48MPas 1dtdtdpSdpAnSpSVdnSV dpSdtdtRTRTnA01162kmolxA0.5時58nA1kmol ， nR2kmol ， nS1k

12、mol ， nt 4kmolVnt RT4RTp總300dnSVdpS4dpS42.40.032kmol s 1dtRTdt300dt300精彩文檔實用標(biāo)準文案dyA1dpA10.24 0.8s 1dtp總dt0.313 某二級液相不可逆反應(yīng)在初始濃度為5kmol ·m-3 時，反應(yīng)到某一濃度需要 285s，初始濃度為 1kmol·m-3 時，反應(yīng)到同一濃度需要283s，那么，從初始濃度為5kmol·m-3 反應(yīng)到1kmol ·m-3 需要多長時間？解t=285-283=2s反應(yīng)前后體積不變的不可逆反應(yīng)，已經(jīng)反應(yīng)掉的部分不會對反應(yīng)產(chǎn)生任何影響。反應(yīng)過程中

13、的任意時刻都可以作為初始時刻和終了時刻。14 在間歇攪拌槽式反應(yīng)器中，用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為：CH 3COOH C4 H9 OHH2SO4CH3COOC4H9H2OABRS反應(yīng)物配比為：A(mol):B(mol)=1:4.97，反應(yīng)在 100下進行。 A 轉(zhuǎn)化率達50需要時間為 24.6min ，輔助生產(chǎn)時間為 30min ，每天生產(chǎn) 2400kg 醋酸丁酯（忽略分離損失） ，計算反應(yīng)器體積。混合物密度為 750kg·m-3，反應(yīng)器裝填系數(shù)為 0.75。解ABRSM i 6074 116R產(chǎn)量 2400/24100kghr 11000.862kmolhr 1116轉(zhuǎn)化率

14、50%，則 A的投料量 0.8621.724kmol hr 10.5折算成 質(zhì)量流量 1.72460 103.4kghr 1則B投料量1.724 4.9774634.1kghr1A :B 1:4.97總投料量 103.4634.1737.5kghr 1換算成體 積流量 737.50.9834m3 hr 1750總生產(chǎn)時間 24.63054.6min 折合 54.60.91hr60反應(yīng)器有效體 積0.9834 0.91 0.8949m 3反應(yīng)器總體積 0.89491.2m30.7515反應(yīng) (CH 3CO)2 O+H 2O 2CH 3COOH 在間歇反應(yīng)器中15下進行。 已知一次加入反應(yīng)物料 5

15、0kg，其中 (CH 3CO)2O 的濃度為 216mol ·m-3，物料密度為 1050kg·m-3 。反應(yīng)為擬一級反應(yīng)，速率常數(shù)為 k=5.708 ×107 exp(- E/RT) min -1， E=49.82kJ ·mol -1。求 xA =0.8 時，在等溫操作下的反應(yīng)時間。解精彩文檔實用標(biāo)準文案k5.708107 exp(49820)0.05252 min 18.314288t1 ln11ln1130.6 mink 1xA0.052520.816在 100下，純A 在恒容間歇反應(yīng)器中發(fā)生下列氣相反應(yīng):2A R+SA 組分分壓與時間關(guān)系見下表:

16、t/sec020406080100120140160pA /MPa0.10.096 0.080 0.0560.032 0.018 0.0080.0040.002試求在 100， 0.1MPa 下，進口物流中包含20%惰性物， A 組份流量為 100mol·hr-1，達到 95%轉(zhuǎn)化率所需的平推流反應(yīng)器的體積。解平推流反應(yīng)器的停留時間與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間相同。由數(shù)據(jù)表可知， pA00.08MPa ，轉(zhuǎn)化率 95% pA0.004MPa 所需要的反 應(yīng)時間為 140 40 100s1008.314373.15V v 36001000.1077m 3610.20.11017 間歇操作的液

17、相反應(yīng) A R ，反應(yīng)速率測定結(jié)果列于下表。欲使反應(yīng)物濃度由 cA0 =1.3kmol m·-3 降到 0.3 kmol ·m-3 需多少時間 ?cA/kmolm·-30.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0( - r A)/kmol-3-0.10.30.50.60.50.25 0.100.060.05 0.0450.042m· min1解cA01.3kmolm-3cAf0.3kmolm-3xAdxAcAdcAtrcA0 0 ( rA )cA0 ( rA )圖解積分cA kmolm-30.10.20.30.40.50.60.70

18、.81.01.32.0rA1103.332.01.672.04.01016.720.022.223.8tr0.1 2.016.72(1.672410)0.2(16.720)220.322.2)2.7023.676.3312.7 min( 20218一氣相分解反應(yīng)在常壓間歇反應(yīng)器中進行，在400K和 500K溫度下，其反應(yīng)速率均可表達為 - rA =23pA2-3-1，式中 pA的單位為 kPa。求該反應(yīng)的活化能。mol m· s解精彩文檔實用標(biāo)準文案將分壓換算成濃度：pAcA RT400K下：rA23pA2 kmol m 3s 1rA23c2A 400R 2同理：500K下：rA23

19、cA2500R 2rA40016expE11E 7421J mol 1rA500258.31440050019 有如下化學(xué)反應(yīng)CH 4+C2H 2+H 2=C 2H 4+CH 4(I)(A)(B)(P)(I)在反應(yīng)前各組分的摩爾數(shù)分別為nI0 =1mol ；nA0 =2mol ； nB0=3mol ；nP0=0 ，求化學(xué)膨脹率（用兩種方法） 。解方法一AyA0A111yA021A112331方法二A13Vx 1 Vx 0103221231A1 2 33Vx 020 在 555K 及 0.3MPa 下，在平推流管式反應(yīng)器中進行氣相反應(yīng)A P，已知進料中含 A 30%（摩爾分數(shù)） ，其余為惰性物料

20、，加料流量為-1，動力學(xué)方程式為 - rA =0.27 cA6.3mol ·smol ·m-3s-1 為了達到 95轉(zhuǎn)化率，試求：(1)所需空速為多少 ?(2)反應(yīng)器容積大小 ?解精彩文檔實用標(biāo)準文案6.310 38.314555.1531V03000.0969m scA00.95 dxA0.95dxA1111.10s0rA00.27 1 xAln1 0.950.27SV111.10 10.09s 1VR V00.096911.10 1.075m3標(biāo)準空速為：V0T0p273.150.3Tp00.09690.1013SVNO555.150.131s1VR1.07521 液相

21、一級不可逆分解反應(yīng) A B+C 于常溫下在一個 2m3 全混流反應(yīng)器（ CSTR， MFR ，連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器） 中等溫進行。 進口反應(yīng)物濃度為1 kmol ·m-3 ，體積流量為1m3hr-1 ，出口轉(zhuǎn)化率為80%。因后續(xù)工段設(shè)備故障，出口物流中斷。操作人員為此緊急停止反應(yīng)器進料。 半小時后故障排除， 生產(chǎn)恢復(fù)。 試計算生產(chǎn)恢復(fù)時反應(yīng)器內(nèi)物料的轉(zhuǎn)化率為多少？解首先求反應(yīng)速率常數(shù)VcA0cA2 10.2k 2hr 1V0rAf10.2k全混流反應(yīng)器切斷進出料即為間歇反應(yīng)器cAe ktcAe 20.5cA0.0736kmol m 3cA 00.2xAcA0cA 10.0736cA 0

22、10.926422 第 17 題中的反應(yīng)， (1) 當(dāng) cA0=1.2kmol ·m-3 ，進料速率 1kmolA·hr-1 ，轉(zhuǎn)化率為 75； (2) cA0 =1.3kmol m·-3，進料速率 2kmolA·hr-1，出口為 0.3kmol ·m-3 ； (3) cA0 =2.4kmol m·-3，出口仍然為 0.3kmol ·m-3，進料速率為 1kmolA·hr-1。計算三種情況下，用全混流反應(yīng)器的體積各為多少 ?解VcA0cAV0FA0V0rAfcA0cA1.2 10.750.3由數(shù)據(jù)表，對應(yīng) rA 0

23、.5kmol m 3 min 1VR 111.20.30.025m31.20.560VR 221.30.30.051m31.30.560VR 312.40.30.029m32.40.560精彩文檔實用標(biāo)準文案23 反 應(yīng) A+B R+S ， 已 知 VR=0.001m3 ， 物 料 進 料 速 率 V0=0.5 × 10-3 m3min-1，cA0 =cB0=5mol ·m3，動力學(xué)方程式為 - rA =kcA cB ，其中 k=100m 3kmol -1 min -1 。求： (1)反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進行時出口轉(zhuǎn)化率為多少？(2)欲用全混流反應(yīng)器得到相同的出口轉(zhuǎn)化率，反

24、應(yīng)器體積應(yīng)多大 ?(3)若全混流反應(yīng)器體積VR=0.001m 3，可達到的轉(zhuǎn)化率為多少?已知 k=1m3kmol -1 hr-1， cB0=3kmol ·m-3， cA 飽和 =0.02kmol ·m-3 ，水溶液流量為 10m3 hr-1。解平推流VR1xAfdxA21(11)V0kcA 0(1 xA )kcA 0 1 xAf0xAf11110.51VRkcA010.0010.15V00.0005(1) 全混流VRcA0cAcA0cA0.0050.00254V0rAkcA cB100 0.00252VRV00.5 10 3 4 2 10 3 m3VRcA0cAcA0cAc

25、A0 xA2V0rAkcA cBkcA2 0 1 xA(2)VR0.001m30.510 3 xA21000.005 1xA1xA2xA0.38201 xA24 在全混流反應(yīng)器中進行如下等溫液相反應(yīng)：2ABCr c=k1cA 2A B2Dr D=2 k2cAcBA 的初始濃度為-3-3。假設(shè)進2.5kmol m· ，A 和 C 的出口濃度分別為0.45 和 0.75kmol ·m口物流中不含B 、 C、 D，反應(yīng)時間為1250sec，求：1. 出口物流中 B 和 D 的濃度；2. k1 和 k2 。解精彩文檔實用標(biāo)準文案反應(yīng)共消耗 A 2.50.452.05kmol m 3

26、每消耗 2個 A生成 1個C，生成 C所消耗的 A為20.751.5kmol m 3生成 D所消耗的 A為2.05 1.50.55kmol m 3每消耗 個將生成2個D，因此D的出口濃度為0.552 1.1kmol m31A每生成 個伴生 個，但每生成 個D又消耗0.5個B，所以，1C1B1B的濃度為 0.750.51.10.2kmolm 3CC12500.750rCk1 0.452k12.96310 3 m3 kmol 1 s 1CD12501.1 0rD2k2 0.45 0.2k24.88910 3 m 3 kmol 1s 1精彩文檔實用標(biāo)準文案第二章習(xí)題1.動力學(xué)方程的實驗測定時，有采用

27、循環(huán)反應(yīng)器的，為什么?答：循環(huán)反應(yīng)器行為與全混流反應(yīng)器相同，可以得到反應(yīng)速率的點數(shù)據(jù)，而且反應(yīng)器進出口濃度差比較大，對分析精度要求不很高。2.為什么可逆吸熱反應(yīng)宜選平推流反應(yīng)器且在高溫下操作，而可逆放熱反應(yīng)卻不是?根據(jù)可逆放熱反應(yīng)的特點，試問選用何種類型反應(yīng)器適宜?為什么 ?答：可逆吸熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與化學(xué)平衡都隨溫度的升高而升高，高溫下操作對二者都有利?？赡娣艧岱磻?yīng)的化學(xué)平衡隨溫度的升高向反應(yīng)物方向移動，對達到高轉(zhuǎn)化率不利。對此類反應(yīng)，可選用多段絕熱反應(yīng)器或換熱條件較好的管式反應(yīng)器。3. 一級反應(yīng) A P，在一體積為 VP 的平推流反應(yīng)器中進行，已知進料溫度為150，活化能為 84kJ

28、83;mol -1，如改用全混流反應(yīng)器，其所需體積設(shè)為Vm，則 Vm/Vp 應(yīng)有何關(guān)系 ?當(dāng)轉(zhuǎn)化率為 0.6 時，如果使 Vm=Vp，反應(yīng)溫度應(yīng)如何變化?如反應(yīng)級數(shù)分別為n=2， 1/2，- 1 時，全混流反應(yīng)器的體積將怎樣改變？解：( rA )kcAk0 exp(E) cAVPRT1dxA1xAdxAxAPFRln(1 xA )FA00 ( rA ) cA0 k 0 1 xAcA0 kCST RVmxAFA0cA 0 k(1xA )VmxA kVpk(1 xA ) ln(1xA )exp(EE)xAxA )RTmRTp(1 xA )ln( 1IF TpTmVmxA kVPk(1xA ) ln

29、( 1xA )xA(1xA ) ln(1xA )精彩文檔實用標(biāo)準文案IF Vm1and xA0.6VP1exp E TPTm10.6R TPTm0.6 ln(1 0.6)1exp84000423.15Tm1.6378.314423.15Tm423.15Tm0.6109exp 23.876423.15Tm0.492923.8760.02064Tm423.15TmTm432.07 Kn2,VmxAVm 21FA 0kcA2Vm1cAn 1/ 2,VmxAVm1 / 2cA1/ 2FA0kcA1/ 2Vm1n1,VmxA1Vm 1cA2FA0kcAVm1Vmn1或 VmnFA0 xAfVm1cAn1

30、kcAfn4. 在 體 積 VR=0.12m 3 的 全 混 流 反 應(yīng) 器 中 ， 進 行 反 應(yīng) ABk1S，式中Rk2k1=7m 3kmol -1 min -1 ， k2=3m3kmol -1min -1 ，兩種物料以等體積加入反應(yīng)器中，一種含2.8kmolA ·m-3，另一種含 1.6kmolA·m-3 。設(shè)系統(tǒng)密度不變，當(dāng)B 的轉(zhuǎn)化率為75時，求每種物料的流量。解精彩文檔實用標(biāo)準文案cA 02.81.4kmol m 32cB01.60.8kmolm 32cB0.8 1 0.750.2kmolm 3cRcS0.80.750.6kmol m 3cA1.40.60.8k

31、mol m 3rA70.80.23 0.60.6 0.04kmol m 3 min 1cB 0cB0.80.2rA15min0.04v 0.12 60 0.48m3hr 115每一股是總物料量的一半：vA vB0.480.24m3hr 125. 可逆一級液相反應(yīng)AP ，已知 cA00.5kmol m 3 , cP0 0；當(dāng)此反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進行，經(jīng)過8min 后， A 的轉(zhuǎn)化率為33.3%，而平衡轉(zhuǎn)化率是 66.7%，求此反應(yīng)的動力學(xué)方程式。解rAdcAk1cAk2cPk1cAk2 cA0cAdtcAcA0 (1x)cPcA0 xdcAcA0 dxk1cA0 1 x k2cA0 xdtdtd

32、xk1(k1k2 ) xdtdxdtt0,x0k1(k1k2 )xt t , x xk11 ln k1(k1k2 )xtk2k1Kk1cPecA 0 xexe0.6672k2cAecA 0 (1xe )1xe10.667Kk12x0.333t8k2精彩文檔實用標(biāo)準文案k11ln 11 10.333 8k22k11ln 0.50.69318k2k1k2k1k2 0.08664k1 / k22k10.05776min 1k20.02888min 1rAdcA0.05776cA0.02888cPdt6. 平行液相反應(yīng)A Pr P=1A Rr R=2 cAA Sr S=cA2已知 cA0 =2kmol ·m-3 ， cAf =0.2kmolm·-3 ，求下列反應(yīng)器中，cP 最大為多少 ?(1) 平推流反應(yīng)器； (2)全混流反應(yīng)器； (3)兩相同體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)，cA1=1 kmol ·m-3 。解SPrP11rPrRrS1 2cAcA2(1 cA ) 2For PFR1Spc