1. ФОРМАЛЬНАЯ КИНЕТИКА

1.6. Кинетика реакций в открытых системах

 

1.6.1.    Необратимая реакция первого порядка A ¾® B происходит в реакторе идеального перемешивания, степень превращения равна 80 %. Среднее время пребывания реагента в реакторе равно t. Эту же реакцию проводят в реакторе идеального вытеснения, время пребывания реагента в реакторе также равно t. Чему равна степень превращения в реакторе идеального вытеснения?

Решите эту задачу принимая, что степень превращения в реакторе идеального перемешивания равна: 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % и 90 %.

1.6.2.    Для последовательной реакции

A  B  C

определите максимальную концентрацию промежуточного вещества [B]max и необходимое для её достижения время контакта в реакторе идеального смешения, работающем в стационарном режиме. Сравните полученный результат с выражением для [B]max для той же реакции в замкнутой системе.

1.6.3.    (Пе1–2006, № 2). В реакторе идеального смешения проводится жидкофазная последовательная реакция

A  B  C.

Константы скорости равны: k1 = 5 мин1, k2 = 1,8 мин1. Объёмный расход Q смеси равен 300 л/мин, исходная концентрация вещества А равна 4,8 моль/л, исходные концентрации продуктов В и С равны нулю. Рассчитайте оптимальный объём реактора Vopt, позволяющий получить максимальное количество продукта В в стационарном режиме.

1.6.4.    При какой объёмной скорости uo подачи исходного компонента А в реактор идеального смешения можно ожидать в стационарных условиях получения наибольшего выхода продукта В, если этот продукт получается по схеме

A   B  P.

Объём реактора V, реагент A подаётся в большом избытке инертного разбавителя.

1.6.5.    При какой объёмной скорости uo подачи исходного компонента А в реактор идеального смешения можно ожидать в стационарных условиях получение наибольшего выхода продукта В, если этот продукт получается по схеме

A   B  P.

Объём реактора V, реагент A подаётся в большом избытке инертного разбавителя.

1.6.6.    При какой объёмной скорости uo подачи исходного компонента А в реактор идеального смешения можно ожидать в стационарных условиях получение наибольшего выхода продукта В, если этот продукт получается по схеме

A  B  P

Объём реактора V. (Дополнительный вопрос: сопоставить решение с решением для реактора идеального вытеснения.)

1.6.7.    При какой объёмной скорости uo подачи исходного компонента А в реактор идеального смешения объёмом V можно ожидать в стационарных условиях получение наибольшего выхода продукта В, если этот продукт получается по схеме

A  B  C

1.6.8.    В реакторе идеального смешения объёмом 0,1 л при постоянных Р и Т происходит мономолекулярная реакция разложения C2H5Cl на С2Н4 и HСl. При скорости подачи C2H5Cl 40 см3с–1 степень его превращения в продукты равна 0,5. Какой будет степень превращения при увеличении скорости подачи вдвое?

Решить задачу для ситуаций, когда исходная смесь: 1) представляет собой чистый реагент; 2) сильно разбавлена инертным газом.

1.6.9.    В идеально перемешиваемый растворитель объёма V, химически инертный по отношению к фенильному свободному радикалу, в течение длительного времени с постоянной скоростью W0 вводится этот радикал, растворённый в том же растворителе. При этом общий объём v раствора, введённого за всё время эксперимента, удовлетворяет условию v << V. Введённый фенильный радикал рекомбинирует в получающемся более разбавленном растворе с константой скорости k2, образуя дифенил.

Выведите уравнение, описывающее изменение концентрации фенильного радикала во времени, и найдите из него характеристическое время установления стационарной концентрации этого радикала. Начальную концентрацию радикала примите равной нулю.

1.6.10. В струевом реакторе длиной 80 см, диаметром 3,3 см при 520 °С и давлении 1 атм происходит разложение ацетальдегида в стационарных условиях по реакции

CH3CHO ¾®  CH4 + CO.

Константа скорости этой реакции 0,33 М–1×с–1. Определите, какой процент ацетальдегида окажется разложившимся при скорости его подачи 50 г/ч.

1.6.11. В реакторе полного смешения объёмом 1 л при давлении 1 атм в стационарных условиях происходит реакция разложения

C2H5Br  ¾®  C2H4 + HBr.

Найдите область температур, при которых будет происходить 5 % и 50 % разложения бромистого этана, если скорость подачи 7 л/ч, а константа скорости k = 1013exp(–E/RT) с–1, где E = 54 ккал/моль.

1.6.12. В реакторе идеального вытеснения при 450 °С и 1 атм происходит разложение метанола

CH3OH  CO + 2 H2.

Найдите константу скорости реакции, если глубина пиролиза составляет 75 % при времени контакта t = 1,33 с.

1.6.13. В реактор полного смешения объёмом V подаётся со скоростью uo смесь двух веществ с концентрациями [A]0 и [B]0. Между ними в реакторе идёт обратимая реакция

А  В.

Найдите отношение концентраций [A]/[B] в стационарном режиме работы реактора. Сравните полученный результат с равновесными концентрациями А и В.

1.6.14. В проточный реактор поступает смесь СО (0,5 атм) и Н2О:

CO + H2O   CO2 + H2.

Константа равновесия при температуре реактора равна K = 20, а константа скорости k1 равна 10–2 атм–1 с–1. Время нахождения смеси в реакторе 102 с. Рассчитайте степень превращения СО и Н2О в СО2 и Н2 в процентах от максимально возможной, определяемой термодинамическим равновесием.

1.6.15. (Пе1–2003, № 5). Каталитическую реакцию паровой конверсии

СО + Н2О ¾® Н2 + СО2

изучают в реакторе идеального вытеснения при давлении 20 атм, температуре 320 °С, загрузке катализатора 0,3 см3, объёмной скорости подачи исходной газовой смеси 0,6 л н.у./с и составе: СО – 17 об.%, Н2О – 33 об.%, N2 – 50 об.%. Установлено, что при этих условиях конверсия СО составляет 20 %, реакция является практически необратимой, характеризуется первым порядком по концентрации СО и нулевым порядком по концентрации Н2О. Определите эффективную константу скорости реакции.

1.6.16. (Пе1–2008, № 2). В реактор идеального перемешивания подаётся эквимолекулярная смесь 50 % МеОН + 50 % азота. В реакторе происходит реакция разложения метанола с образованием СО и водорода. Порядок реакции по метанолу – первый. Температура 400 °С, давление 1 атм, скорость подачи азотно-метанольной смеси u = 1 л/с, объём реактора V = 1 литр, константа скорости k = 1 с–1. Найдите степень превращения метанола.

1.6.17. В реакторе периодического действия должна быть достигнута производительность 50 т/сутки по этилацетату, получаемому из этилового спирта и уксусной кислоты:

C2H5OH + CH3COOH    CH3COOС2H5 + H2O.

    (А)                (В)                           (R)              (S)

Скорость реакции в жидкой фазе

.

При 100 °С k = 7,93 × 10–6 м3/(кмоль×с), K = 2,93, в исходной жидкости содержится 23 вес.% кислоты, 16 вес.% спирта и отсутствует эфир. Должна достигаться степень превращения кислоты – 35 %. Плотность жидкости примерно постоянна и равна 1080 кг/м3. Реактор будет работать 24 часа в сутки. Время для заполнения, опустошения и пр. составляет в сумме для подобных реакторов 1 ч. Какой требуется объём реактора?

1.6.18. (Экз–2006, № 1). В реакторе полного смешения протекает мономолекулярная необратимая реакция:

A  B,      k = 10–2 c–1.

Время контакта реакционной смеси t = 50 с. Первоначально в реактор подают сильно разбавленный инертным газом реагент А с начальной концентрацией 10–3 М до установления стационарной концентрации, а затем концентрацию А в подаваемой смеси скачком уменьшают до нуля. Найдите концентрации А и B в реакторе через 100 c после скачкообразного изменения начальной концентрации реагента А.

1.6.19. (КР1–2002, № 4). Реагент B с объёмной скоростью 1 см3/с подаётся в реактор полного смешения объёмом 1 см3. В реакторе происходит реакция B ® P, константа скорости равна 2 с–1. Концентрация B0 на входе в реактор изменяется во времени следующим образом:

,  b = 0,01 моль/л×с.

Определите концентрацию на выходе из реактора в моменты времени t и 2 t, если t = 1/3 с.

1.6.20. Димеризация изопрена (растворённого в большом количестве инертного разбавителя) изучалась в струевом реакторе идеального вытеснения объёмом 1 л при постоянной скорости струи 10 см3/с. При парциальном давлении изопрена P = 0,1 мм рт. ст. и разных температурах состав продуктов оказался следующим.

T, K

550

600

650

700

750

C10H16/C5H8

× 10–5

2,4 × 10–4

1,5 × 10–3

6,6 × 10–3

2,4 × 10–2

Определите по этим данным предэкспоненциальный множитель и энергию активации константы скорости этой реакции.

1.6.21. (КР1–1997, № 3). Стехиометрическая смесь CO и N2O пропускается через реактор идеального вытеснения со скоростью 5 см×с–1. Начальные концентрации CO и N2O равны 10–3 М, а константа скорости реакции  равна 0,46 М–1с1.

При какой длине реактора концентрации всех компонентов (CO, CO2, N2O и N2) на выходе реактора будут одинаковыми?

1.6.22. (КР1–1998, № 4). В реакторе идеального смешения объёмом 0,1 л вещество А необратимо изомеризуется в вещество В с константой скорости 1 × 10–2 с–1. На вход реактора подаётся вещество А с начальной концентрацией 0,2 М. Объёмные скорости ввода и вывода рабочих растворов равны 1 см3с–1. Оцените концентрации веществ А и В по прошествии 6 мин с момента запуска процесса.

1.6.23. (КР1–2001, № 3). В реакторе полного перемешивания протекают превращения согласно схеме

Раствор реагента А с концентрацией 1 М подаётся в реактор с объёмной скоростью 10 см3/с, объём реактора 5 см3; k–1 = 2 c–1, k2 = 5 c–1, k–2 = 4 c–1, k3 = 10 c–1.

Покажите, что k1k2k3 / k–1k–2k–3 = 1, и определите k1 и k–3, если известно, что отношение концентраций B/A на выходе равно 0,5. Реактор работает в стационарном режиме.

1.6.24.  (КР1–2003, № 3). В реактор полного смешения объёмом 1,0 л при температуре 520 °С и давлении 1 атм подаётся чистый ацетальдегид с объёмной скоростью 20 мл/с. В реакторе происходит необратимая мономолекулярная реакция разложения ацетальдегида на метан и СО

CH3CHO ¾® CH4 + CO

с константой скорости = × 10–2 c–1. Найдите концентрацию ацетальдегида на выходе из реактора, предполагая, что реактор работает в стационарном режиме.

1.6.25.  (КР1–2003, № 4). Реактор идеального вытеснения состоит из двух одинаковых ступеней, между которыми имеется теплообменник. Температура первой ступени 200 °С, температура второй ступени 180 °С. 

В реакторах идёт реакция изомеризации вещества A ¾® B. Степень превращения после первой ступени равна 50 %. Чему равна степень превращения на выходе из реактора, если время контакта одинаково для первой и второй ступеней, а энергия активации этой реакции равна 100 кДж/моль.

1.6.26.  (Экз–2004, № 1). Два реактора полного перемешивания объёмом V1 и V2 литров соединены так, как показано на рисунке. В реакторе 1 протекает мономолекулярная реакция превращения газа А в газ B с константой скорости k. Температуры реакторов одинаковы. Найдите зависимость концентрации А от времени для каждого из реакторов, если в начальный момент [A]1 = [A]2 = a. Объёмом соединительных линий пренебречь.

1_6_26

1.6.1.    (КР1–2005, № 2). Получение продукта P из реагента A проходит в 2 стадии. На первой стадии чистый газообразный A подаётся в реактор полного смешения, в котором происходит реакция (1). Объём реактора 1 л, скорость подачи 0,1 л/с, степень превращения 0,95.

Получившаяся смесь сразу же подаётся на вход реактора идеального вытеснения (объём 1 л), в котором идёт реакция (2).

          2)

 

 

 

 

Известно, что k2 = 0,1 × k1. Определите селективность процесса по продукту Р (отношение количества образовавшегося продукта P к количеству израсходованного реагента А).

1.6.2.     (КР1–2006, № 3). Реакцию дегидратации изопропанола

C3H7OH  ¾®  C3H6 + H2O

проводили в реакторе идеального вытеснения при постоянном давлении 1 атм. Установлено, что порядок реакции по изопропанолу равен единице. Если в исходной смеси изопропанол сильно разбавлен инертным газом, то степень превращения x равна 0,8 при температуре 200 °С. Объёмная скорость подачи исходной реакционной смеси 0,2 мл/с, объём реактора 1 мл.

Чему будет равна степень превращения изопропанола, если в реактор подавать чистый газообразный изопропанол с такой же объёмной скоростью?

1.6.3.    (КР1–2007, № 5). На вход реактора идеального вытеснения объёмом 250 см3 подаётся реагент A при атмосферном давлении и температуре 298 K с начальной объёмной скоростью потока 10 см3/с. В реакторе происходит процесс

3 A    B.

Найдите величину константы скорости k, если известно, что на выходе из реактора скорость потока уменьшается вдвое по сравнению с начальной.

Решите предыдущую задачу, считая что реакция происходит в реакторе полного перемешивания.

(КР1–2008, № 2). Селективная тетрамеризация этилена в 1-октен проводится в стационарных условиях в реакторе полного перемешивания (в реактор подаётся газообразный этилен, в результате реакции образуется жидкий октен). При малых временах контакта t0 степень превращения этилена a линейно зависит от времени контакта

,

причём коэффициент пропорциональности b не зависит от давления в реакторе. Определите порядок реакции по этилену.

1.6.4.    (Экз–2007, № 5). В реакторе полного смешения при атмосферном давлении протекает метанирование смеси СО и СО2:

1) ,

2) .

Начальные концентрации реагентов равны: 10 об.% СО, 30 об.% СО2, 60 об.% Н2, метан и вода отсутствуют.

Найдите концентрации всех веществ на выходе из реактора, если степени превращения СО и СО2 составляют 0,8 и 0,167 соответственно.

1.6.33. В реакторе идеального вытеснения происходит сложная реакция

A + B  D

 D  P.

На вход реактора объёма V = 250 мл c объёмной скоростью u0 = 50 мл/мин подаётся реакционная смесь, содержащая реагенты А и В в концентрациях СА0 = 0,01 М, СВ0 = 0,1 М, k1 = 0,1 М–1с–1 , k–1 = 1,5 с–1, k2 = 2 с–1. Найдите степень превращения А на выходе реактора.

1.6.34. В реакторе идеального вытеснения происходит реакция

A + B  3 C.

На вход реактора объёма V c объёмной скоростью u0 подаётся реакционная смесь, содержащая чистые реагенты А и В в равных концентрациях СА0 = СВ0 = а. Найдите зависимость степени превращения реагентов А и В от объёмной скорости подачи реагентов.

1.6.35. В реакторе идеального вытеснения происходит реакция

                                           A  2 C      

На вход реактора объёма V c объёмной скоростью u0 подаётся реакционная смесь, содержащая чистый реагент А в концентрации СА0. Найдите зависимость степени превращения реагента от объёмной скорости подачи.

 

 

 

Text Box: ТЕОРИЯ       Text Box: ОГЛАВЛЕНИЕ