1 绪 论
1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+
进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算
（1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：
0.629Y S 0.961196.11%
X 0.720====
（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为
A P ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：
n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol
n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol
结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：
n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol
n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：
23CO 2H CH OH +?
232
22CO 4H (CH )
O H O +?+
2
42CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+
222CO H O CO H +?+
由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图
100kmol
放空气体
原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）
组分原料气冷凝分离后的气体
CO 26.82 15.49
H268.25 69.78
CO2 1.46 0.82
CH40.55 3.62
N2 2.92 10.29
粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：
（1）（1）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；
（2）（2）甲醇的单程收率和全程收率。
解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件，计
其中i i i i i m i i。经冷凝分离后的气体组成（亦即放空气体的组成）如下：
M ’m =∑y i M i =9.554
又设放空气体流量为Akmol/h ，粗甲醇的流量为Bkg/h 。对整个系统的N 2作衡算得：
5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A) 对整个系统就所有物料作衡算得：
100×10.42=B+9.554A (B) 联立（A ）、（B ）两个方程，解之得
A=26.91kmol/h B=785.2kg/h 反应后产物中CO 摩尔流量为
F CO =0.1549A+9.38B/(28×1000) 将求得的A 、B 值代入得
F CO =4.431 kmol/h 故CO 的全程转化率为
CO,0CO CO CO,0F F 26.82 4.435X 83.48%
F 26.82
--===
由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO 摩尔流量为
F ’CO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h 所以CO 的单程转化率为
CO,0CO '
CO CO,0F F 26.82 4.435X 16.18%
F 138.4
--===
产物粗甲醇所溶解的CO 2、CO 、H 2、CH 4和N 2总量D 为
(9.829.38 1.76 2.14 5.38)B D 0.02848Bkmol /h
1000++++==
粗甲醇中甲醇的量为
(B-D)X 甲/M m =(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h 所以，甲醇的全程收率为
Y 总=21.25/26.82=79.24% 甲醇的单程收率为
Y 单=21.25/138.4=15.36%
2 反应动力学基础
2.1在一体积为4L 的恒容反应器中进行A 的水解反应，反应前 A 的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，反应物A 的分子量为88。在等温常压下不断取样分析，测的组分A 的浓度随时间变
解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～t 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。 切线的斜率为
0.760.125/.6.1α-==-mol l h
由（2.6）式可知反应物的水解速率为
0.125/.-=
=dC
A r mol l h A dt
2.2
在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：
2423+→+CO H CH H O
催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，
解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示
00000(1)(1)
-=
=-=-=-A A R
A A A A A A A A
dF r dV F F X Q C X dF Q C dX
故反应速率可表示为：
000
0(/)==A A
A A A R R dX dX r Q C C dV d V Q
用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R
0.650.04 1.79
0.34α-==
故CO 的转化速率为
40030.10130.03 6.3810/8.31410573--?
===???A A P C mol l RT
4300 6.3810 1.79 1.1410/.min
(/)--==??=?A
A A R dX r C mol l d V Q
2.3已知在Fe-Mg 催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：
20.850.4
/-=?w CO CO r k y y kmol kg h
式中y CO 和y CO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa 压力及700K 时反应速率常数k W 等于0.0535kmol/kg.h 。如催化剂的比表面积为30m 2/g ，堆密度为1.13g/cm 3，试计算： （1） （1） 以反应体积为基准的速率常数k V 。 （2） （2） 以反应相界面积为基准的速率常数k g 。 （3） （3） 以分压表示反应物系组成时的速率常数k g 。 （4） （4） 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数k C 。 解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位换算成m 2/m 3。
33230.450.45
33
0.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.3010
11(3)()()0.05350.1508
0.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-==??=-=
=
=???==?=??==?=v b w b
b
g w w
v
b n p w n
c w k k kmol m h k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h
2.4在等温下进行液相反应A+B →C+D ，在该条件下的反应速率方程为：
1.50.5
0.8/min =?A A B r C C mol l
若将A 和B 的初始浓度均为3mol/l 的原料混合进行反应，求反应4min 时A 的转化率。
解：由题中条件知是个等容反应过程，且A 和B 的初始浓度均相等，即为1.5mol/l ，故可把反应速率式简化，得
1.50.5222
00.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X 由（2.6）式可知
00
(1)??????
--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt
代入速率方程式
22000.8(1)=-A A A A
dX C C X dt
化简整理得
00.8(1)=-A
A A dX C dt
X 积分得
00.81=
-A
A A X C t X
解得X A =82.76%。
2.5氨合成塔入口的气体组成为
3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及5.89CH 4。该塔是在30MPa 压力下操作。已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol ），试计算该处的反应速率。在Fe 催化剂上氨合成反应速率式为：
32232
1.5
31.512/=-?NH H N NH H p p r k p k kmol m h
p p
逆反应的活化能4
17.5810/=?E J mol 。450℃时
30.5322277()/=?k m MPa m h ，且2
12/=P
k k K ，490℃时，Kp 可按下式
计算：
472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--?+?+p K T T T T 注：m 3为标准立方米。
解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k 2值。
利用（2.27）试，求出频率因子A:
44217.5810/8.31472316
2'1617.5810/8.314723430.532exp()
exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-??-??-=-===?-==?=?E k A RT
E A k e RT
E k A e m MPa m h
RT
490℃的Kp 值由题给公式计算出
4722
log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--??+??+=-=?p p K K 求k 1值：
22'
1
12
'
2
2243 1.531(5.59210) 1.0551033()/.--===???=p p k K k K k k k m MPa m h
求各组分的分压值：
223
3122+?N H NH
5716
.0.14160*(-2)*2087.01.1416
0*2087.0*3-626.0 1y 13
y y 1904
.0 .14160*(-2)*2087.01)1416.0-(12087.0 1y y y 1416.05.6914.45*(-2)*2087.01*2087.0*2
11
035.010.01y y y 22
123211 %87.20P
y , 1y y y 1000H H 000A A 00R 0R R 0000000＝＝－）
＋－（＝
，+=
δ+-=
=+=
δ+-===+--=
δ+νν
-=
δ==δ+νν-
=δ+νν-
=
A A A A
A A
A A A
A A A A
A A
A A A
A A
A A i i A
A A A A A
i
i i A
A A A A A
i
i i X y X X y X X X X X X y X y p X y X X y X p p p P y i i p =
反应速率为：
3
2
2
3
2
1.5 1.5
41.512
1.5
333317.15333.0 5.718 1.05510317.154.02310/.(179.6/.)
=-=??-??=?NH H N NH H p p r k p k p p m m cat h kmol m cat h
2.6下面是两个反应的T-X 图，图中AB 是平衡曲线，NP 是最佳温度曲线，AM 是等温线，HB 是等转化率线。根据下面两图回答：
（1） （1） 是可逆反应还是不可逆反应？ （2） （2） 是放热反应还是吸热反应？ （3） （3） 在等温线上，A,D,O,E,M 点中哪一点速率最大，哪
一点速率最小？ （4） （4） 在等转化率线上，H,C,R,O,F 及B 点中，哪一点速
率最大，哪一点速率最小？ （5） （5） 在C,R 两点中，谁的速率大？ （6） （6） 根据图中所给的十点中，判断哪一点速率最大？
解： 图2.1 图2.2 （1）可逆反应 可逆反应 （2）放热反应 吸热反应 (3)M 点速率最大，A 点速率最小 M 点速率最大，A 点速率最小
(4)O 点速率最大，B 点速率最小 H 点速率最大，B 点速率最小
(5)R 点速率大于C 点速率 C 点速率大于R 点速率
(6)M 点速率最大 根据等速线的走向来判断H,M 点的速率大小。
2.7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4
9.62910/?J mol ,如果不考虑逆反应，试问反应温度是550℃时的速率比反应温度是400℃时的速率大
多少倍？
解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，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。
400550
119629011()()5505505508.314673823400400400exp()23exp()
（倍）---=====-E R T T E A r k RT e e r k E A RT
2.8常压下，在钒催化剂上进行SO 2氧化反应，原料气组成为7%O 2
及82%N 2。试计算转化率为80%时的最佳温度。二氧化硫在钒催化剂
上氧化的正反应活化能为4
9.21110/?J mol ，化学计量数等于2，反应式为：
223
12+?SO O SO
其平衡常数与温度的关系为：
log 4905.5/ 4.6455=-p e K T
该反应的热效应
4
9.62910/-=?r H J mol 。 解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：
2222332233320.1013 1.4/97.2 1.4610()0.10138.2/97.28.5510()0.1013 5.6/97.2 5.8410()0.101382/97.28.5510()
----==?=?==?=?==?=?==?=?SO SO O O SO SO N N p Py MPa p Py MPa p Py MPa p Py MPa
（2）求与上述组成对应的平衡常数K P 值：
3
2230.50.5335.841043.261.46108.5510---?? ?
??
?===??SO P SO o p K p p
(3)求平衡温度Te
log 4905.5/ 4.64554905.5780.96.282=-==p e e K T T K
(4)利用（2.31）式求逆反应活化能E 值
4
459.629109.21110 1.40310/2ν-??=-=?-=?r
r H E E J mol
(5)利用（2.31）式求最佳温度T OP
4
780.9739.0048.314780.914.031ln 1ln 9.211(14.039.211)10===?++-?-e
OP e T T K
RT E E E E
2.9在一恒容反应器中进行下列液相反应：
+→A B R 3
1.6/=?R A
r C kmol m h 2→A D 23
8.2/=?D A r C kmol m h
式中r R ,r D 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2kmol/m 3，试计算A 的转化率达到95%时所需的反应时间。
解：反应物A 的消耗速率应为两反应速率之和，即
2
2 1.616.4 1.6(110.25)=+=+=+A R D A A A A R r r C C C C 利用（2.6）式
1.6(110.25)-=+A A A dC C C dt
积分之
0001(1)10.2510.2511.6()ln(1)ln 10.2511110.250.6463/1.60.4038??
-+??=--=--+???++????
==A A A
C A A A C A A A X C t dC X C C C t h 2.10在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应：
6333264324(()）+→+C H CH H C H CH CH 643226534(）+→+C H CH H C H CH CH
反应器进口原料气组成为66.67%H 2,33.33%三甲基苯。在0.1Mpa 及523K 下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化率为80%时，其混合气体的氢含量为20%，试求： （1） （1） 此时反应器出口的气体组成。 （2） （2） 若这两个反应的动力学方程分别为：
0.5
36300/=?A A B r C C kmol m h
0.5
33400/=?E C B r C C kmol m h
则出口处二甲基苯的生成速率是多少？
解：以100mol 为计算基准，设X 为三甲基苯的转化率，Y 为生成的甲苯摩尔数。 （1） （1） 用物料衡算求出口气体组成：
66.67-33.33X-Y=20
解得Y=66.67-33.33×0.8-20=20.01kmol （甲苯量） 生成的二甲基苯量：33.33×0.8-20.01=6.654kmol 生成的甲烷量：33.33×0.8+20.01=46.67kmol 剩余的三甲基苯量：33.33×（1-0.8）=6.666kmol 氢气含量为：20kmol
故出口尾气组成为：三甲基苯6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%。 （2） （2） 由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：
33
00333300.10.33337.66910/8.31410523
(10.8)7.66910(10.8) 1.53410/----?===???=-=?-=?A A A A p C kmol m
RT C C kmol m 333
333
333
333
0.20 1.53410 4.610/0.06666
0.06654 1.53410 1.53210/0.06666
0.4667 1.53410 1.07410/0.06666
0.2001 1.53410 4.60310/0.06666--------=??=?=??=?=??=?=??=?B C D E C kmol m C kmol m C kmol m C kmol m
0.50.5
330.5330.53630034006300 1.53410(4.610)3400 1.53210(4.610)0.65550.35330.3022/.----=-=-=????-????=-=C A E A B C B
R r r C C C C kmol m h
2.11在210℃等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应：
2523251122→++C H NO NO CH CHO C H OH
该反应为一级不可逆反应，反应速率常数与温度的关系为
14411.3910exp( 1.89710/)()-=?-?k T s ，若反应是在恒容下进行，系统的起始总压为0.1013MPa ，采用的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。 若采用恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？
解：（1）恒容过程，其反应式可表示为： 1122→++A B C D
反应速率式表示为：
0(1)==-A A A A r kC kC X
设为理想气体，反应物A 的初始浓度为：
2003140014260.1013 2.52310/8.31410483
(1) 1.3910exp(18973/)(1)1.3910exp(18973/483) 2.52310(100.8) 6.11210/.----===???=-=?-?-=?-???=?A A A A A A A Py C mol l RT r kC X T C X mol l s 亚硝酸乙脂的分解速率为：
66.11210/.-==?A A R r mol l s 乙醇的生成速率为：
61 3.05610/.2-==?D A R r mol l s
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化。
10.50.51/1
1δυυ++-===∑A t A
由于反应物是纯A ，故有：y A0=1。
由（2.52）式可求得组分的瞬间浓度：
22001426(1) 2.52310(10.8) 2.80310/11110.8
1.3910exp(18973/483)
2.80310
3.39510/.δ-----?-===?++??==?-??=?A A A A A A A A C X C mol l
y X r kC mol l s 乙醇的生成速率为：
61
1.69810/.2-==?D A R r mol l s
2.12甲烷与水蒸气在镍催化剂及750℃等温下的转化反应为：
422224+→+CH H O CO H
原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1：4，若这个反应对各反应物均
为一级，已知k=2l/mol.s,试求： （1） （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CH 4转化率为80%时，CO 2和H 2的生成速率是多少？ （2） （2） 反应在恒压下进行，其他条件如（1），CO 2的生成速
率又是多少？ 解：（1）由题意可将反应速率表示为： 24+→+=C A B A B C D r kC C 对于恒容过程，则有
0003
003
3300(1)
20.10130.2 2.38210/8.314101023
44 2.382109.52810/----=-=-?=
==???==??=?A A A B B A A
A A
B A
C C X C C C X P C mol l RT C C mol l 当X A0=0.8时
3403330043665(1) 2.382100.2 4.76410/29.528102 2.382100.8 5.71710/2 4.76410 5.71710 5.44710/.44 5.44710 2.17910/.----------=-=??=?=-=?-???=?===????=?==??=?A A A B B A A C C A B D C C C X mol l
C C C X mol l R r kC C mol l s R r mol l s
（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变化
1412/2
1δυυ+--===∑A t A
反应物A 的原始分率：
01
0.2
14==+A y
由（2.52）式可求得转化率为80%时的浓度：
3400(1) 2.38210(10.8) 3.60910/1120.20.8δ---?-===?++??A A A A A A C X C mol l
y X 33500029.528102 2.382100.8 4.33110/1120.20.8
δ----?-???===?++??B A A B A A A C C X C mol l
y X 45662 3.60910 4.33110 3.12610/.3.12610/.----==????=?==?A A B C C r kC C mol l s
R r mol l s
2.13在473K 等温及常压下进行气相反应：
（1）3→A R 1.2/min =?R A r C mol l
（2）2→A S 0.5/min =?S A r C mol l （3）→A T 2.1/min =?T A r C mol l
式中C A 为反应物A 的浓度（mol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？
解：方法（1），先求出总摩尔变化数δA 。 首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：
1
0.431
0.252
2.1======AR R A
AS S A
AT T A r r C r r C r r C 总反应速率为：
2.75=++=A AR AS AT A R r r r C
以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：
0.40.25 2.13210.382
2.75 2.75 2.75δ=?+?+-=A
初始浓度为：
2
0003
0.10130.5 1.28810/8.31410473--?===???A A P y C mol l RT
则有
230033(1) 1.288100.15 1.662510/110.50.380.85
2.75 2.75 1.662510 4.57210/.min δ-----??===?++??==??=?A A A A A A A A C X C mol l
y X R C mol l 方法（2），可将C A 表示为：
00(1)
1312
1211
1
δδδδ-=
+-==-===∑A A A A Aj Aj
AR AS AT C X C y X
23330.40.25
20.8510.850.3245
2.75 2.751.288100.15 1.662310/10.32450.5
2.75 2.75 1.662310 4.57110/.min δ----=??+??=??==?+?==??=?∑Aj Aj A A A X C mol l
R C mol l
方法（3），利用物料衡算可分别求出反应物A 生成R 及S 的瞬间选择性S R ,S S ,因而可求出产物R 及S 的收率y R ,y S ,求得A 转化率为85%时的分率：
0002333(1)0.06453
122 1.288100.064532 1.662310/2.75 2.75 1.662310 4.57110/.min -------==++==???=?==??=?A R S T A A R A S
A AO A A A y y y y y y y y y C C y mol l R C mol l
其中：
0.40.4
(0.40.25 2.1) 2.75
0.250.25
(0.40.25 2.1) 2.75
0.40.850.1236
2.750.250.850.07727
2.75==
++=
=
++=?==?=A R A A S A R S C S C C S C y y
2.14在Pt 催化剂上进行异丙苯分解反应：
65326636(）?+C H CH CH C H C H
以A,B 及R 分别表示异丙苯，苯及丙烯，反应步骤如下：
（1）σσ+?A A （2）σσ?+A B R （3）σσ?+B B
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，其它两步达到平衡，描述如下：
θσσθθθ+?==A V
A A A A V
A
p A A K K p
σσθθ?+=-A A R B A B R r k kp
θ
σσθθθ?+==B V B B B B V
B
p B B K K p
以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程：
θθ=-A A R B r k kp 由于1θθθ++=A B V
将,θθA B 代入上式得：
1θθθ++=A A V B B V V K p K p 整理得：
1
1θ=
++V A A B B K p K p
将,,θθθA B V 代入速率方程中
()/111-=
-=
++++++A A R B B A B R P
A A A
B B A A B B A A B B kK p kp K p k p p p K r K p K p K p K p K p K p
其中
/==A P A B k kK K kK kK
2.15在银催化剂上进行乙烯氧化反应：
2422422+→C H O C H O
化作22()()2()+→A B R
其反应步骤可表示如下：
（1）σσ+?A A （2）222σσ+?B B （3）σσσσ+?+A B R （4）σσ?+R R
若是第三步是速率控制步骤，试推导其动力学方程。
解：根据速率控制步骤及定态近似原理，除表面反应步骤外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达式：
(1)σσθθ+?=A A A V A A K p
2(2)22σσθ+?=B V B B (4)σσθ?+=R R R V R R K p
整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示：
θθθθ=-A A B R V r k k
根据总覆盖率为1的原则，则有：
1θθθθ+++=A B R V 或
1θθθ+++=A A V V R R V V K p K p 整理得：
θ=
V
将,,,θθA B R V 代入反应速率方程，得：
22θθ=-=A A V R R V
k r kK p K p kp K 其中
/==R k kK K K k kK
2.16设有反应→+A B D ，其反应步骤表示如下：
（1）σσ+?A A （2）σσ→+A B D （3）σσ?+B B
若（1）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： 123(1)(2)(3)σσθθσσθσσθθ+?=-→+=?+=-aA A V dA A
S A
dB B aB A V A A r k p k A B D
r k B B r k k p
由于（1）是速率控制步骤，第（2）步是不可逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有：
θθθ-=aA A V dA A S A k p k k 整理得：
θθ=
+aA A V
A S dA k p k k
根据定态近似原则
0()(
)/θθθθθθθθθθ=-+==+=++=++B
S A dB B aA A V S aA A dB B S A aA A V aB B V
S aA
S aA A
B aB B V dB
S aA
d k k k p dt
k k p
k k k p k p k k k k p k p k k k
因为1θθθ++=A B V
将,θθA B 代入上式，化简后得：
1
1θ=
+++V aA A
B B
S dA
k p K p k k
最后将,θθA V 代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式。
1()1-+=
=
+++++
++aA A aA A dA S dA
S aA A
aA A S dA aA A S dA B B
B B S dA
k p k p k k k k k p r k p k k k p k k K p K p k k
2.17一氧化碳变换反应：
222()()()()+→+CO A H O B CO C H D
在较低温度下，其动力学方程可表示为：
1=
++A B
A A C C kp p r K p K p
试拟定该反应的合适的反应步骤。
解：根据题意，假设反应步骤如下： (1)(2)(3)σσ
σσσσ+?+→+?+A A A B C D C C
并假设第二步是控制步骤，其速率方程就代表了整个反应的速率方程：
θ=S A B r k p
其余的两步可认为达到平衡，则有：
θθθθ==A A A V
C C C V K p K p
由于1θθθ++=A B V ，有：
1
1θ=
++V A A C C K p K p
将,θθA V 代入速率式，得：
11==
++++S A A B A B
A A C C A A C C k K p p kp p r K p K p K p K p
式中=S A k k K 。故上述假定与题意符合。但上述假定的反应步骤不
是唯一的。
2.18利用习题2.1的数据，试用积分法和微分法求其动力学方程。
解：先用积分法求其动力学方程。 设为一级不可逆反应，其速率表达式为：
=-=A A A
dC
r kC dt
积分得：
1 绪论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 （1）（1）反应的选择性； （2）（2）反应器出口气体的组成。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 设甲醇的转化率为X A，甲醛的收率为Y P，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A、n P和n c分别为： n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n P=n A0Y P=18.96 mol n C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W）、氧气（n O）和氮气（n N）的摩尔数分别为： n W=n W0+n P+2n C=38.30 mol n O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为：
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图 原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 （1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比）， A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol 1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+
24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩 Bkg/h 粗甲醇100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29 粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg 粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g 。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算： （1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率。 解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，则根据已知条件，计算进料原料其中x i =y i i i i m i i
李绍芬版反应工程答 案
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 （1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进 设甲醇的转化率为X A P ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图 100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82
反应工程知识点 第1章 绪论 1. 反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率。 2. 反应工程一般是按反应物系的相态来分类，将化学反应分为均相反应和多相反应两大 类。 3. 根据反应过程是否使用催化剂，将化学反应分为催化反应和非催化反应两大类。 4. 反应进度是指任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比，反应进度永远为正值。 5. 转化率是针对反应物而言的，收率则是对反应产物而言，转化率、收率和选择性三者的 关系：Ｙ＝SX 。 6. 化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，反应器设计的核心内容是确定反应体积， 反应器设计最基本的内容是：①选择合适的反应器型式；②确定最佳的操作条件；③确定反应体积。 7. 工业反应器放大主要方法是逐级经验放大法和数学模型法。 8. 反应器类型可以搞看图填写。 9. 工业反应器有三种操作方式：①间歇操作；②连续操作；③半间歇（或半连续操作）。 第2章 反应动力学基础 1.反应速率是指单位时间内单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。 2.以R v v A v R B A →+反应为例，其反应速率的表达式是dt dn V r A A 1-=或dt dn V r B B 1-=或dt dn V r R R 1=，用反应进度表式反应速率的表达式：dt d V r ξ1-=-，其反应物转化量与反应产物生产量之间的关系R B A R B A v v v dn dn dn ::::=。 3.在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式叫做速率方程或动力学方程，其数学函数表达式),(T c f r =，以以R v v A v R B A →+不可逆基元反应为例，其速率方程为B A v B v A A c kc r =。 4.k 为反应速率常数，为温度的函数，其关系式为)/exp(RT E A k -=。 5.绝大多数反应都是非基元反应，但是非基元反应可以看成是若干基元反应的综合结果，即反应机理。 6.不论可逆反应还是不可逆反应，反应速率总是随着转化率的升高而降低（降低或升高）；不可逆反应及可逆吸热反应，反应速率总是随着温度的升高而加快（减慢或加快）；至于可逆吸热反应，反应温度按最佳温度曲线操作，反应速率最大。 7.在同一反应物系中同时进行若干个化学反应时，称为复合反应。 8.独立反应是指这些反应中任何一个反应都不可能由其余反应进行线性组合而得到。 9.复合反应包括三个基本反应类型，即并列反应、平行反应和连串反应。 10.当一个反应的反应产物同时又是另一个反应的反应物时，这类反应称为连串反应。 11.固体催化剂系由三部分组成：即主催化剂、助催化剂和载体。使用载体的主要目的是为了增大表面积。助催化剂主要作用是提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性。常用的催化
化学反应工程作业答案
3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应325325CH COOC H NaOH CH CHCOONa C H OH +→+ 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L ，反应速率常数为5.6L/（min ·mol ），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为31m 、32m 时，所需的反应时间是多少？ 解： A B C D +=+ A A B r k C C =?? 设A 的转化率为A x ，B 的转化率为B x 000A A A A A A n n n x n n --?= = 000 B B B B B B n n n x n n --?== ∵ 00A B n n = ， A B n n ?=? ， ∴ A B C C = t=0 Af x A A a dx C r ? =020 Af x A A A dx C k C ?? =01(1)A Af kC x --0 1A k C =169.6 min t 与反应体积无关。 ∴31m 、所需反应时间均为169.6min 3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？ 解：对于平推流反应器： 1ln 1Af k x τ=- 0 B v v τ= 对于全混流反应器： '' 1Af Af x k x τ= - 0 R v v τ= ∴ 1ln 1Af x -=' 1Af Af x x -=2.3 ∴ ' Af x =0.697
3-6 已知某均相反应，反应速率2 ,17.4A A r kC k ml ==/（mol ﹒min ），物料密度恒定为0.75g/ml ， 加料流量为7.14L/min ，0A C =7.14mol/L ，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？ (1) 串联两个体积0.253m 的全混流反应器。 （2）一个0.253m 的全混流反应器，后接一个0.253m 的平推流反应器。 （3）一个0.253m 的平推流反应器，后接一个0.253m 的全混流反应器。 （4）两个0.253m 的平推流反应器串联。 解： （1） 0R v v τ== 3 0.251027.14 ?=35mm ， 设转化率为12,f f x x 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 2222 1221 (1)(1)f f A f f x x k C x x τ= ?--=1.64 ∴ 20.467f x = 12(1)Af A f C C x =-=1.44 ∴ 0(1)0.80Af A Af Af C C x x =-?= （2） 00.251000 7.14 R V V τ?= ==35min 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 221221 1.64(1)(1)f f A f f x x k C x x τ=?=-- ∴ 20.62 f x = 12(1)Af A f C C x =-=2.7×（1-0.62）=1.026
1绪论 1.1解：（1）由（1.7 ）式得反应的选择性为： S = Y = 0.621 = 0.9611 二96?11% X 0.720 （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气 =2: 4: 1.3 （摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 设甲醇的转化率为X A,甲醛的收率为Y P,根据（1.3 ）和（1.5 ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数皿、n p和n c分别为：n=n AO（1-X A）=7.672 mol n p=n AO Y P=18.96 mol n c=n AO（X A-Y P）=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（nv）氧气（n。）和氮气（n N）的摩尔数分别为： nw=n w+n p+2n c=38.30 mol n o=no//2n p-3/2n C=0.8788 mol n N=n N O=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为：
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其 主副反应如下： CO 2H 2 二 CH 3OH 2C0 4H 2 (CH 3)2O H 2O CO 3H 2 CH 4 H 2O 4CO 8H 2 C 4H 9OH 3H 2O CO H 2O CO 2 H 2 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇， 为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷 却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部 分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。 下图是 生产流程示意图 ___________ 冷凝分离 Bkg/h 粗甲醇 lOOkmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：(mol) 组分原料气冷凝分离后的气体 原料气 Akmol/
李绍芬《反应工程》课后习题答案
1 绪 论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 （1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol 组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.39 1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+
反应工程李少芬答案 1 绪论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 （1）（1）反应的选择性； （2）（2）反应器出口气体的组成。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 组分摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol) CH3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA、nP和nc分别为：
nA=nA0(1-XA)=7.672 mol nP=nA0YP=18.96 mol nC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（nW）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为： nW=nW0+nP+2nC=38.30 mol nO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 mol nN=nN0=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为： 组分摩尔数（mol）摩尔分率% CH3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H2O 38.3 34.87 CO2 0.7672 0.6983 O2 0.8788 0.7999 N2 43.28 39.39 1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：
6.1、在半径为R 的球形催化剂上，等温进行气相反应?A B 。试以产物B 的浓度C B 为纵座标，径向距离r 为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B 的浓度分布示意图。 （1） 化学动力学控制 （2） 外扩散控制 （3） 内、外扩散的影响均不能忽略 图中要示出C BG ，C BS 及C Be 的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B 的浓度，C Be 是B 的平衡浓度。如以产物A 的浓度CA 为纵座标,情况又是如何? 解(1)以产物B 的浓度为纵座标 (2)以产物A 的浓度为纵座标 6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解: =-=<>=<>====3(1),0.5422/,65.6/0.542/1.650.328/p t p p a p r p a g p p r S r A V cm g ρρεεερερ由得由得由催化剂 6.13 在150℃,用半径100μm 的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,可将该反应按一级(对苯)反应处理,在内,外扩散影响已消除的情况下,
测得反应速率常数k p =5min -1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm 2/s,试问: (1) 在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少? (2) 改在2.02Mpa 下操作,并假定苯的有效扩散系数与压力成反比,重复上问 的计算. (3) 改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6 cm 2/s. 而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解 : ()= =?? - ? ???(1)0.107611tanh 33p d φηφφφ1由(6.60)式= 用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p <6.36cm (2)2.02Mpa 时,De ≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm 2/s,与此相对应 : = =0.418p d φ 同上法可求得当η=0.8时,需d p <1.42cm (3)液相反应时,De=1×10-6cm 2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p <0.0142cm. 6.14 一级不可逆反应 A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m 3时的反应速率为 2.5 kmol/m 3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v =50s -1 ,床层孔隙率为0.3,A 的有效扩散系数为0.03cm 2/s,假定外扩散阻力可不计,试求: (1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) 反应器中所装催化剂颗粒的半径 ()===== --= =-==?? ?31 71.43/18.13500.05/p v B B B v v v p B p A v AS V k V V V k k k l s V V V d R k C kmol s m εεφηηp p 解:k k 床层 实验测得(-R A )=0.0417 kmol/s ﹒m 3床层, 解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重. 由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒半径为3.69cm. 6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m 2/g,孔容0.35cm 3/g,颗粒密度1.2g/cm 3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm 3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子.
1 绪 论 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。试计算 （1） （1） 反应的选择性； （2） （2） 反应器出口气体的组成。 解：（1）由（）式得反应的选择性为： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为 组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+）= 空气 4/（2+4+）= 水 （2+4+）= 总计 A P 器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0(1-X A )= mol n P =n A0Y P = mol n C =n A0(X A -Y P )= mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0+n P +2n C = mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0= mol 组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH
HCHO H 2O CO 2 O 2 N 2 1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图 原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 100kmol 循环压缩 合成 冷凝分离
1 绪论 1.1 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 0.629 Y ==== S0.961196.11% X0.720 （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 A P）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A、n P和n c分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n P=n A0Y P=18.96 mol n C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W）、氧气（n O）和氮气（n N）的摩尔数分别为： n W=n W0+n P+2n C=38.30 mol n O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图 100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体
化学反应工程试题答案 一、单选题：（共60小题，每题0.5分） 1、化学反应工程是研究如下问题的学科：（A） A、化学反应器工程问题 B、化工单元操作 C、反应器特性 D、传递特性 2、化学反应工程研究的对象是：（A） A、化学反应器 B、单元操作 C、化工流程 D、化学工艺 3、连续操作的反应器的独立变量为（C） A、浓度 B、反应时间 C、反应器体积大小 4、理想混合的间歇反应器的独立变量为（B） A、反应速率 B、反应时间 C、反应空间 5、连续操作的理想混合流反应器的独立变量是：（C） A、反应物浓度 B、反应时间 C、反应空间 6、间歇操作的反应器所具有的特点包括：（A） A、参数随时间变化 B、参数随空间变化 C、累积量为零 D、累积量不为零 7、在对理想的全混流反应器进行物料衡算时，下面哪些量为零：（D） A、流入量 B、流出量 C、反应量 D、累积量 8、在对定常态操作的反应器进行物料衡算时，下面哪些量为零：（D） A、流入量 B、流出量 C、反应量 D、累积量 9、稳定的定常态操作点符合如下条件：（A） A、移热速率大于放热速率 B、移热速率小于放热速率 C、移热速率等于放热速率 10、若CSTR的某一操作点是稳定的定常态操作点，则该操作状态具有的特点是：（C） A、移热速率大于放热速率 B、移热速率小于放热速率 C、移热速率等于放热速率 11、在CSTR中进行一级不可逆反应，最多可以有几个定常态操作点？（D） A、0 B、1 C、2 D、3 E、4 12、对于反应级数大于零的反应，下述情况哪种容积效果最高？（C） A、单釜CSTR B、多釜CSTR C、PFR
3 釜式反应器 3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？ 解：（1）002220 00001()(1) 110.95 169.6min(2.83) 5.60.0210.95 ===?---=?=?-? ?Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h (2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。 3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO 以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。 （1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。 解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?kg h 原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8?==?A C mol l 反应时间： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=?+=r V Q t t l
1绪论 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 2CH3OH O22HCH0 2H2O 2CH3OH 3O22CO24H2O 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2: 4: 1.3 （摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%甲醛的收率为69.2%。试计算 （1）（1）反应的选择性； （2）（2）反应器出口气体的组成。解：（1）由 （1.7 ）式得反应的选择性为： S Y 0629 0.9611 96.11% X 0.720 （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2: 4： 1.3 （摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为 设甲醇的转化率为X A,甲醛的收率为Y P,根据（1.3 ）和（1.5 ）式可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A、m和n c分别为：n=n A0（1-X A）=7.672 mol n p=n A0Y P=18.96 mol n（=n A0（X A-Y P）=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（nv）氧气（n。）和氮气（n N）的摩尔数分别为： nw=n w+n p+2n C=38.30 mol nc=n O0~1/2n p-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol 所以，反应器出口气体组成为：
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其 主副反应如下： CO 2H 2 CH 3OH 2C0 4H 2 (CH 3)2O H 2O CO 3H 2 CH 4 H 20 4C0 8H 2 C 4H 9OH 3H 2O CO H 2O CO 2 H 2 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇， 为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷 却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部 分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。 下图是 生产流程示意图 ___________ 冷凝分离 Bkg/h 粗甲醇 原料气 Akmol/
第二章 均相反应动力学 1、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，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 2 A A min 18A0min 8A0A A A0d d 2 19.019.0181)(21 8.018.081)(11kc t c kc kc x x c kt =- = -?== -?=-?= 为假设正确，动力学方程 3、 在间歇反应器中有一级液相可逆反应P A ?，初始反应时C A0=0.5mol/L ，C P0=0 反应8min 后，A 的转化率为1/3，而平衡转化率是2/3，求此反应的动力学方程式。 解：p A A C k C k dt dC 21-=- 210021 22) 1(k k x C x C C C K k k Ae A Ae A Ae Pe ==-===即 根据一级可逆反应积分式 1212121min 08664.08 2 ln 3 1 3 2ln 18ln 1-== +∴+=-+=k k k k x x x k k t A Ae Ae 121 1m in 02888.0m in 05776.0--==∴k k P A p A A C C C k C k dt dC 02888.005776.021-=-=- 5、恒温恒容的气相反应A →3P ，其动力学方程为V n k dt dn V r A A A =- =-1)(，在反应过程 中系统总压p t 及组分A 的分压均为变量，试推导 )(A t p f dt dp =的表达式。
解：A t A A A t A A A A A A A A t A A t A A A t kp dt dp RT p k kc V n k dt dp RT dt dp RT dt dp RT dt dc r V n k dt dn v r dt dp dt dp p p p p p p p 221211(1)(22)(3)0 0======-=-=-=-=--=--=-+=得即 8、纯气相组分A 在一等温等容间歇反应器中按计量式P A 5.2?进行反应，实验测得如下 数据， 时间/min 0 2 4 6 8 10 12 14 ∝ 分压p A /MPa 0.1 0.08 0.0625 0.051 0.042 0.036 0.032 0.028 0.020 用积分法求此反应的动力学方程式。 解：由于当∞→t 时，02.0=A p 常数，因此假设为一级可逆反应。 ）即，即，达到平衡时，020220 20220212 121210215 1 (5.125.25.125.25.210)(5.2101002 .02.02.0)02.01.0(5.2)(5.25.2A A A A A A A A A A A Ae pe pe Ae A A p p A A p p k p k p k p k p k p k p p k p k dt dp k k p p k k RT p k RT p k MPa p p p c k c k dt dc p A e - =-=-+-=-?-=- ====∴ ==-=-=-=-→∞
1 绪论 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。试计算 （1）（1）反应的选择性； （2）（2）反应器出口气体的组成。 解：（1）由（）式得反应的选择性为： （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当 设甲醇的转化率为 A P 醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A =n A0 (1-X A )= mol n P =n A0 Y P = mol n C =n A0 (X A -Y P )= mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W =n W0 +n P +2n C = mol n O =n O0 -1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0 = mol 1.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如 下：
由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩 Bkg/h 粗甲醇 100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO H 2 CO 2 CH 4 N 2 粗甲醇的组成为CH 3OH %,(CH 3)2O %,C 3H 9OH %,H 2O %,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg 粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 ,CO ,H 2 ,CH 4 ,。若循环气与原料气之比为（摩尔比），试计算： （1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率。 解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，则根据已知条件，计算进料原料其中x i =y i i i i m i i
1 绪 论 1 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 2 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 3 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 4 进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后 5 甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。试计算 6 （1） （1） 反应的选择性； 7 （2） （2） 反应器出口气体的组成。 8 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： 9 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== 10 （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当11 进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为 12 设甲醇的转化率为X A ，甲醛的收率为Y P ，根据（1.3）和（1.5）式可得反应器 13
出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： 14 n A =n A0 (1-X A )=7.672 mol 15 n P =n A0 Y P =18.96 mol 16 n C =n A0 (X A -Y P )=0.7672 mol 17 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别 18 为：19 n W =n W0 +n P +2n C =38.30 mol 20 n O =n O0 -1/2n P -3/2n C =0.8788 mol 21 n N =n N0 =43.28 mol 22 所以，反应器出口气体组成为：23
24 25 1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主26 副反应如下： 27 28 29 23 CO2H CH OH +? 30 2322 2CO4H(CH)O H O +?+ 31 242 CO3H CH H O +?+ 32 2492 4CO8H C H OH3H O +?+ 33 222 CO H O CO H +?+ 34 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高35 原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液36 体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后37 与原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图 38 39 40 41 42 原料气Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 43 44
第一章 绪论 1. 化学反应工程是一门研究______________的科学。（化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。（化学反应、工程问题） 3. _______是化学反应工程的基础。（ 三传一反） 4. 化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。（分批式操作、连续式操作、半分批式） 5. 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指_______、_______、_______。（传质、传热、动量传递） 6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称_______。（数学模型） 7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。（累积量=输入量-输出量） 8.“三传一反”是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指___D____。 A ．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础，下列不属于三传的是__A_____。 A. 能量传递 B. 质量传递 C. 热量传递 D. 动量传递 第二章 均相反应动力学 1. 均相反应是指_ 。（参与反应的物质均处于同一相） 3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。（00K K K K n n n -= χ） 4.当计量方程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_______，否则称为_______。（等分子反应、非等分子反应） 5. 化学反应速率式为β αB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。（) () (βα+RT ） 6. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用逸度表示的速率常数f K ，则C K =_______f K 。（n RT )(） 7. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用气体摩尔分率表 示的速率常数y K ，则C K =_______y K 。（n p RT ? ??? ??） 8.在构成反应机理的诸个基元反应中，如果有一个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，他的反应速率即代表整个反应的速率，其他基元反应可视为处于_______。（拟平衡常态） 9.当构成反应机理的诸个基元反应的速率具有相同的数量级时，既不存在速率控制步骤时，可假定所有各步基元反应都处于_______。（拟定常态） 10. 活化能的大小直接反映了______________对温度的敏感程度。（反应速率） 11. 一个可逆的均相化学反应，如果正、逆两向反应级数为未知时，采用______________法来求反应级数。（初始速率法） 12.生成主产物的反应称为_______，其它的均为_______。（主反应、副反应）