反应工程习题

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）反应的选择性；（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2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4.27x=69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH:%100221004.27⨯++--y x yx =6.983%空气：%1002210023279.54⨯++--y x y x =40.19% 水： %10022100281.17⨯++++y x y x =34.87%HCHO: %10022100⨯++y x x=17.26%CO 2: %10022100⨯++y x y=0.6983%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放空气体 Akmol/h原料气和冷凝分离后的气体组成如下：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 21.460.82CH40.55 3.62N22.92 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。

化学反应⼯程练习题化学反应⼯程练习题⼀．填空1.对反应速率与浓度成正效应的反应分别采⽤全混流、平推流、多级串联全混流反应器其反应器体积的⼤⼩关系为__________。

2. 拟均相模型：对于多相催化反应，忽略催化剂内外__________和__________的差异，将反应当成均相反应。

3.反应器处在⾮稳定的操作状态下，当操作参数有⼩的扰动，反应器的局部地⽅或整个反应器中的温度便会⼤幅度地上升的现象，称为__________。

4. 对于恒容的平推流管式反应器__________、__________、__________⼀致。

5.全混流反应器的空时τ是__________与__________之⽐。

6.消除外扩散影响最有效的措施是__________；消除内扩散影响最有效的措施是__________。

7. 在有滞留区存在的釜式反应器E(θ)图中，，当θ=0时，E(θ)=__________1（填<，>或=）。

8. 平推流反应器的F 函数的⽆因次时间表达式为__________，其⽆因次⽅差σ2＝__________，⽽全混流反应器的⽆因次⽅差σ2＝__________。

9.脉冲⽰踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到__________曲线，阶跃⽰踪法根据检测到的浓度变化曲线可以直接得到__________曲线。

10. 某⼀级不可逆⽓固催化反应，在反应温度150℃下，测得k P =5s -1,有效扩散系数D eA =0.2cm 2/s 。

当颗粒直径为0.1mm 时，内扩散系数为。

11. ⼀级不可逆液相反应，A → 2R ，L kmol C A /3.20=，出⼝转化率7.0=A X ，每批操作时间2.06h ，装置的⽣产能⼒为50000 kg 产物R/天，=60，则反应器的体积V 为_______。

12. 某⼆级液相反应A+B==C ，已知在间歇全混釜反应器中达到x A =0.99需反应时间为10 min ，在平推流反应器中进⾏时，空时τ=__________。

化学反应工程习题第一部分：均相反应器基本理论1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。

2、已知某化学计量式为S R B A 2121+=+的反应，其反应速率表达式为B AA C C r 5.02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？3、某气相反应在400 oK 时的反应速率方程式为221061.3AA P d dP -⨯=-τh kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为21AA A kC d dn V r =⨯-=τh l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？4、在973 oK 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。

反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。

5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？ （1）对A 为一级、B 为零级反应； （2）对A 、B 皆为一级反应； （3）对A 、B 皆为零级反应。

6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。

反应混合物体积的变化忽略不计。

反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。

计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。

题目：全混流连续操作反应器，反应器内温度、浓度处处均匀一致，故所有物料粒子在反应器内的停留时间相同。

正确答案：错题目：相同条件下，分别用下列反应器处理物料，比较反应器有效容积的大小。

①单段全混流反应器（V R1）②四个体积相同的全混流反应器串联（V R2）③两个体积相同的全混流反应器串联（V R3）④平推流反应器（V R4）则（V R4）＞（V R2）＞（V R3）＞（V R1）正确答案：错题目：设备放大，造成微元停留时间分布和返混程度改变，放大时反应结果恶化。

正确答案：对题目：生产能力是相同条件下，单位时间、单位反应器体积所能获得的（产物量），或完成相同生产任务，所需反应器的（体积）。

题目：化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。

题目：釜式反应器的基本结构主要包括反应器（壳体）、（搅拌器）、（密封装置）和（换热装置）等。

题目：手孔或人孔的安设是为了检查（内部空间）以及安装和拆卸设备（内部构件）。

题目：釜式反应器中夹套式换热器适用于传热面积（较小），传热介质压力（较低）的情况。

题目：基元反应的级数即为化学反应式的（计量系数），对非基元反应的级数通过（实验）确定。

题目：单一反应利用（转化率）可以确定反应物转化量与产物生成量之间的关系。

题目：间歇反应，只要C ＡＯ相同，无论处理量多少，达一定（转化率）每批所需的（反应时间）相同。

题目：对同一反应在相同条件下，达到相同转化率，全混釜反应器所需有效体积（最大），平推流反应器所需有效体积（最小），多釜串联全混釜所需有效体积（介于其间）。

题目：一级不可逆反应，其反应速率方程为（－r A =kC A a ）,反应时间与转化率的关系为（kt )x 11ln(A =-）。

题目：复合反应动力学为由两个以上（化学反应计量式）或（动力学方程式）表示的化学反应过程。

题目：间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。

化学反应工程习题集一、 填空题(1) 停留时间分布函数的定义 ；停留时间分布密度函数的定义 。

(2) 气体分子在固体催化剂微孔中扩散的主要形式有 ，当 ，AB Ae D D ≈，当 时，kA Ae D D ≈。

(3) 平推流反应器的特点为 。

(4) 等温下进行一级不可逆反应，为达到x A 的转化率，采用单个CSTR 的体积与PFR 的体积之比为 ，进行二级不可逆反应，两者体积之比为 。

(5) 可逆放热反应在不同转化率下的最佳温度不同，一般而言，转化率越高，最佳温度越 。

(6) 连续流动反应器中的返混是指 ，对平行反应系统，n 主〉n 副 时，返混是使 ，n 主〈n 副 时，返混是使 。

(7) 连续过程反应速度)/(g s mol dWdN A ⋅-、)/(3cm s mol dV dN R A ⋅-、)/(2cm s mol dsdN A ⋅-（内表面）之间的关系为 。

(8) 当分子扩散的平均自由程大于催化剂微孔直径时，分子在微孔中的扩散为 ，其扩散系数与压力的关系为 ，与温度的关系为 。

(9) 反应物A 的水溶液在等温CSTR 中进行二级反应，出口转化率为0.4，现改在等体积PFR 中进行，则出口转化率为 。

(10)等温下进行一级不可逆反应，为达到x A 的转化率，采用单个CSTR 的体积与PFR 的体积之比为 ，进行二级不可逆反应，两者体积之比为 。

σ=0.98，反应器可视(11)从反应器停留时间分布测定中求得无因次方差，2θσ=0.02，则该反应器可视为。

又若求得无因次方差，2θ为。

(12)对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，要保证总的反应体积最小，必需的条件是。

(13)等温等容间歇反应器中进行下面的两个平行反应均为一级不可逆反应，其中A2为目的产物，主反应的活化能大于副反应的活能，则：A1→ A2，A1→A3温度升高，反应的选择率，目的产物的收率相应。

(14)二、可逆反应2A B+C 于等温PFR中进行，原料流量V=10m3/h，反应物A初始浓度c A0=5 kmol/m3, B和C初始浓度均为零，已知反应的动力学方程可表示为：r B=k1c A2—k2c A c B k1=7.5 m3/(kmol·h)，k2=0.5 m3/(kmol·h) 若B的最终浓度是其平衡浓度的98%，问: 需要多大的反应器体积？若在CSTR中进行同样的反应，则反应器体积又为多少？三、有一不可逆一级串联反应 A k1 P k2 S，k1=0.15min-1,k2=0.05 min-1，进料流量为0.5m3/min，c A0≠0，c P 0= c S 0=0。

【习题1-1】在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应2CH3OH＋O2—→2HCHO＋2H2O2CH3OH＋2O2→2CO＋4H2O进入反应器的原料中，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)反应的选择性；(2)反应器出口气体组成。

分析：按国内的定义式计算选择性、收率。

自己设定进料流量。

计算反应器出口处各组分的摩尔流量。

解：（1）反应的选择性(2) 以进料中甲醇的摩尔流量为2mol/ h为基准，则进料中空气4mol/h，水蒸汽1.3mol/h出口处甲醇：2(1-0.72)＝0.56 mol/h甲醛2×0.692＝1.384 mol/hN2 4×0.79 ＝3.16 mol/hO2 4×0.21－0.5×2×0.692－(0.72－0.692)×2＝0.092 mol/hH2O 1.3＋2×0.692＋4×(0.72－0.692)＝2.796 mol/hCO 2×(0.72－0.692)＝0.056 mol/h∑ni＝8.048 mol/h∴出口处气体组成为:y甲醇＝6.96% y甲醛＝17.20% yH2O＝34.74%yO2 ＝1.14% yN2 ＝39.26% yCO ＝0.70%【习题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＋2H2 CH3OH2CO＋4H2 (CH3)2O+H2OCO＋3H2 CH4＋H2O4CO＋8H2 C4H9OH＋3H2OCO＋H2O CO2＋H2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，可凝组分分离为液体即为粗甲醇，不凝组分如氢及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机压缩后与原料气混合返回合成塔中。