化学反应工程(朱炳辰第二版)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），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 moln 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 mol1. 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。

化学反应工程二_三章答案第二章习题动力学方程的实验测定时，有采用循环反应器的，为什么?答：循环反应器行为与全混流反应器相同，可以得到反应速率的点数据，而且反应器进出口浓度差比较大，对分析精度要求不很高。

为什么可逆吸热反应宜选平推流反应器且在高温下操作，而可逆放热反应却不是?根据可逆放热反应的特点，试问选用何种类型反应器适宜?为什么?答：可逆吸热反应的反应速率与化学平衡都随温度的升高而升高，高温下操作对二者都有利。

可逆放热反应的化学平衡随温度的升高向反应物方向移动，对达到高转化率不利。

对此类反应，可选用多段绝热反应器或换热条件较好的管式反应器。

一级反应A→P，在一体积为VP的平推流反应器中进行，已知进料温度为150℃，活化能为84kJ·mol-1，如改用全混流反应器，其所需体积设为Vm，则Vm/Vp应有何关系?当转化率为0.6时，如果使Vm=Vp，反应温度应如何变化?如反应级数分别为n=2，1/2，−1时，全混流反应器的体积将怎样改变？解：)1ln()1()exp()1ln()1()1(CSTR)1ln(11d 1)(d PFR )exp()(A A Ap m A A A p m A 0A AA0m A A00A A A00A A A0PA 0A A AAx x x RT E RT E x x k k x V V x k c x F V x kc x x kc r x F V c RTE k kc r x x ----=---=-=--=-=-=-==-⎰⎰)1ln()1()1ln()1( IF A A A A A P m mp x x x x x k k x V V T T A---=---==()()K07.43215.42302064.015.423876.234929.015.423876.23exp 6109.0637.115.42315.423314.884000exp 1)6.01ln(6.016.0exp 10.6 and 1IF m mm mm m m m m P m P A Pm=-=--=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--===T T T T T T T T T T T T T R E x V V mn n n n kc xF V c V V c V V kc x F V n c V V kc x F V n c V V kc x F V n AfAf A0m 1A m1m 2A1m 1m 1A A A0m 2/1A1m 2/1m 2/1AA A0m A 1m 2m 2A A0A m 1,1,2/11,2==⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧==-=======---或在体积VR=0.12m3的全混流反应器中，进行反应S R B A 21+−−←−→−+k k ，式中k1=7m3kmol-1min-1，k2=3m3kmol-1min-1，两种物料以等体积加入反应器中，一种含2.8kmolA ·m-3，另一种含1.6kmolA ·m-3。

7.多相催化反应器的设计与分析7.1 若气体通过固定床的线速度按空床计算为0.2m/s,则真正的线速度为多少?已知所填充的固体颗粒的堆密度为1.2g/cm 3,颗粒密度为1.8 g/cm 3解:1.2110.33331.80.20.6/0.3333=-=-====空床真正b p u u m s ρερε7.2 为了测定形状不规则的合成氨用铁催化剂的形状系数,将其填充在内径为98mm 的容器中,填充高度为1m,然后边续地以流量为1m 3/h 的空气通过床层,相应测得床层的压力降为101.3Pa,实验操作温度为298K,试计算该催化剂颗粒的形状系数.已知催化剂颗粒的等体积相当直径为4mm,堆密度为1.45g/cm 3,颗粒密度为2.6 g/cm 3.解:()23553023101.3101.3/,1, 1.185/1.8710 1.8710/,41010.03685/36000.785(0.098)1.45110.44232.601---==⋅===⨯⋅=⨯⋅=⨯==⨯=-=-=-2r 0L u 由(7.1)式p=fv b p p p Pa kg m s Lr m kg m Pa s kg m s d mu m s d ρμρερρεε∆∆根据(6.4)式可推导出ψa=dp/dv,式中dp 为等比外表面积相当直径,dv 为等体积相当直径.()()330331(1)1150(1)(7.2) 1.75150 1.75(2)Re 101.3(410)(0.4423)/1 1.185(0.03685)-- ∴ = -- =+=⨯+ =⨯⨯2r 02r 0L u p fp=f即L u 由式将有关数值代入(1)和(2)式得:fv a v a a v ad d f d u ρεεψεψρεμεψρψ∆∆233(10.4423)39.07(3)1.8310(10.4423)8.778150 1.75 1.75(4)(410)0.03685 1.185---= ⨯-=⨯+=+ ⨯⨯⨯a af ψψ(3),(4):8.778/ 1.7539.07,1.758.77800.4969+= --= =2a 式联立将此式变为:39.07解此方程得:a a a a ψψψψψ7.3 由直径为3mm 的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应,基于催化剂颗粒体积计算的反应速率常数为0.8s -1,有效扩散系数为0.013cm 2/s,当床层高度为2m 时,可达到所要求的转化率.为了减小床层的压力降,改用直径为6mm 的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计算:(1) (1) 催化剂床层高度; (2) (2) 床层压力降减小的百分率.解(1)求dp 为6mm 的床层高度L 2,已知数据:dp 1=3mm=0.3cm,dp 2=0.6cm,L 1=2m, kp=0.8s -1,De=0.013cm 2/s00111222100211221110.392230.9210.784530.756===========⎰⎰求得求得AfAf x A Ar A x r A AA F dx L V R L V F dx R ηηηηϕηϕη12120.922 2.430.756∴==⨯=L L m ηη(2)求床层压力降减小的百分率:()()2210201122331211,--= =p p L u L u p f p f d d ρερεεε∆∆假定床层的空隙率不变,则有:11212221= (1)p p f L d p p f L d ∆∆层流流动时:012121501150Re /(2)-==⨯∴= p p p f d u f d d f εμρ(1),(2)式联立:2212221122112120.6/2 3.2252.430.3/2⎛⎫⎛⎫==== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭p p p p p p L d d d p L p L d d L d ∆∆床层压力降减少的百分率为:121 3.22510.689968.99%3.225--===p p p ∆∆∆7.4 拟设计一多段间接换热式二氧化硫催化氧化反应器,每小时处理原料气35000m 3(标准状况下),组成为SO 2:7.5%;O 2:10.5%;N 2:82%.采用直径5mm 高10mm 的圆柱形催化剂共80m 3,取平均操作压力为0.1216Mpa,平均操作温度为733K,混合气体的粘度等于3.4×10-5Pa.s,密度按空气计算.解:由(7.1)式()31-2r 0L u p=fp d ρεε∆根据题给条件有:107330.1013350002730.121321.75/3600-⨯⨯==u A m s A上式中A —床层截面积,m 2.12121/31/32380/80660.785(0.005)0.01 6.0051020.785(0.005) 4.140.0050.01660.785(0.005)0.017.215103.142---==⨯⨯===⨯⨯+⨯⨯⎡⎤⎛⎫⨯⨯===⨯ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦p p pp v L A A m V d m a V d mπ在题(7.1)中已推导出/=ap v d d ψ,因此有:336.005100.83237.21510--⨯==⨯a ψ查”无机化工反应工程”P108图4-1得ε=0.45,混合气的物性数据按空气计算误差不大,733K 下,ρ=0.4832kg/m 3,μ=0.034厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:5310150(1)150 3.410(10.45)1.75150 1.75 1.75Re 6.00510(21.75)0.48320.04444 1.75----⨯⨯-=+=⨯+=+⨯⨯ =+p f d u A A μερ112333800.4832(21.75)(10.45)(0.04444 1.75) 1.8386.005100.45(0.04444 1.75)----⨯-∴=+=⨯⨯ ⨯+ A A p A A A Pa ∆要求△P<4052Pa 则有4052>1.838×107A -3(0.0444A+1.75)80 3.43123.32==L m7.5 多段冷激式氨合成塔的进塔原料气组如下:组分 NH 3 N 2 H 2 Ar CH 4 % 2.09 21.82 66.00 2.45 7.63 (1) (1) 计算氨分解基(或称无氨基)进塔原料气组成:(2) (2) 若进第一段的原料气温度为407℃,求第一段的绝热操作线方程,方程中的组成分别用氨的转化率及氨含量来表示.反应气体的平均热容按33.08 J/molK 计算.反应热△Hr=-5358J/molNH 3(3) (3) 计算出口氨含量为10%时的床层出口温度,按考虑反应过程总摩尔数变化与忽略反应过程总摩尔数变化两种情况分别计算,并比较计算结果.解:(1)计算氨分解基气体组成:100mol 原料气中含NH 32.09mol,相当于2.09/2molN 2及(1.5×2.09)molH 2,因此，(A) (A) 考虑反应过程中气体总摩尔数的变化.以y 代表氨基气体mol%,Ft 表示混合气体总摩尔流量,由2231322+ N H NH 可以看出,每生成1摩尔NH 3,混合气体总摩尔数减少1,所以生成氨的摩尔数=00-t A t A F y F y ,(下标A 代表NH 3,0代表进口处,y A0和y A 均指有氨基的mol%)因此有:()000001:(1)1--=+= +化简得t t A t A tA t t AF F y F y F y F F y(a) (a) 以N 2的转化率表示组成时的绝热操作线方程:()220,0-=N N r T P T F x H F C T∆∆∆上式中(-△Hr)以反应每kmol 的N 2计.()()22220,000,00001111+∴-=+-+=+A N N r t p T AN r T AN t p A y F x H F C T y F H y T x F C y ∆∆∆∆∆∆以进口处N 2的转化率为0作基准计算,则有:()()22,000211253581/-⎛⎫+=+ ⎪+⎝⎭-=⨯N r A N p A r y H y T T x C y H kJ kmolN ∆∆代入有关数据:20.2182535812168033.0810.0209⨯⨯+=++AN y T x化简得:2680692.4(1)=++A N T y x (2)又,生成的NH 3mol 数为:0000011+-=-+A A t A t A t A t Ay y F y F y F y F y反应消耗N 2的mol 数为:000001121⎛⎫+- ⎪+⎝⎭A A t A t A y y F y F y ∴ N 2的转化率:2000011210.2182⎛⎫+- ⎪+⎝⎭=A t A A A N t y F y y y x F代入数据:2110.02090.0209210.2182⎛⎫+- ⎪+⎝⎭=AA N y y x化简得:220.047882.291+=-N A N x y x (3)(3)代入(2)式得:2220.0478*******.41 2.291⎛⎫+=++ ⎪⎪-⎝⎭N N N x T x x 化简后得到以2N x 表示组成的绝热方程为:221620680 2.291=+-N N x T x(b) (b) 以NH 3含量表示组成的绝热操作线方程: ()()00--=t A t A r t p F y F y H F C T ∆∆式中(-△Hr)以每生成1kmolNH 3计,()()()()0000000031111111153581/0.0209(1)10.0209⎛⎫+--= ⎪+⎝⎭⎛⎫--+⎛⎫++∴=-=- ⎪⎪+++⎝⎭⎝⎭-= +⎡⎤-⎢⎥+⎣⎦53581代入数据:T=680+33.08A t A t A r t p A r r A A A A A A A p A A p A r A Ay F y F y H F C T y H H y y y y T y y y C y y C y H kJ kmolNH y y ∆∆∆∆∆∆化简得到以y A 表示组成的绝热操作线方程如下:6801620[0.02047(1)]=+-+A A T y y(B) (B) 忽略反应过程中气体总摩尔数的变化(a)以N 2转化率表示组成时的绝热操作线方程:22,0()-=N r N t p F H x F C T∆∆∆式中-△Hr 以每反应1kmolN 2计.()()()2222,02222,0,0000.218225358168033.08-- ∴==-⨯⨯=+=+即化简之T=680+707.1NN r N r N N t p t pr N N pN F H F H T x x F C F C y H T T x x C x ∆∆∆∆∆∆∆(b)以NH 3含量表示组成的绝热操作线方程: ()()0--=t A A r t p F y y H F C T ∆∆式中-△Hr 以每反应1kmolN 2计:()0-=-rA A pH T y y C ∆∆353581/-= r H kJ mol NH ∆()()05358168068016200.020933.08=+- =+- A A A T y y T y(3)计算出口氨含量为10%的床层出口温度,考虑反应总摩尔数变化时:6801620[0.02047(1)]6801620[0.10.02047(10.1)]805.5=+-+=+-+ =A A T y y K忽略反应总摩尔变化时:6801620(0.0209)6801620(0.10.0209)808.1=+-=+-=A T y K808.1-805.5=2.6K,温度相差并不大,这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘故,若转化率高则两种方法计算出来的床层出口温度将会有较大的差别.7.6 在绝热催化反应器中进行二氧化硫氧化反应,入口温度为420℃,入口气体中SO 2浓度为7%(mol);出口温度为590℃,出口气体中SO 2含量为2.1%(mol) ,在催化剂床层内A,B,C 三点进行测定.(1) (1) 测得A 点的温度为620℃,你认为正确吗?为什么? (2) (2) 测得B 点的转化率为80%,你认为正确吗?为什么?(3) (3) 测得C 点的转化率为50%,经再三检验结果正确无误,估计一下C 点的温度.解(1)绝热床内的温度是呈线性上升的,出口处温度最高,床内任一点温度不可能高于出口温度,故620℃是不可能的.(2)出口处SO 2的转化率为(0.07-0.021)×100%/0.07=70%.床层内部任一点处转化率不可能高于70%,故转化率为80%是不可能的.(3)△t=λ△X A , 590-420=λ×0.7 λ=(590-420)/0.7=242.86 故C 点温度为:t=t0+λ△X A =420+242.86×0.5=541.4℃7.7 乙炔水合生产丙酮的反应式为:2223322232+→++C H H O CH COCH CO H在ZnO-Fe 2O 3催化剂上乙炔水合反应的速率方程为:737.0610exp(7413/)/=⨯- ⋅床层A A r T C kmol m h式中C A 为乙炔的浓度,拟在绝热固定床反应器中处理含量为3%C 2H 2(mol)的气体1000m 3(STP)/h,要求乙炔转化68%,若入口气体温度为380℃,假定扩散影响可忽略,试计算所需催化剂量.反应热效应为-178kJ/mol,气体的平均恒压热容按36.4J/molK 计算.解:原料气中乙炔浓度很低,可忽略反应过程总摩尔数的变化.()000(1)(1)273273--==+A A A A A F x x C F Q Q t式中Q 0为以标准状态计的体积流量,Q 为温度t 时垢体积流量.()()()()77000.6800070000.64070273(1)7.0610exp(7413/)7.0610exp(7413/)(273)273112737.0610exp(7413/)2737.06101273exp(7413/)-=⨯-=⨯-++==-⨯⨯-+ =⨯--⎰⎰⎰Af A A A A x A r A A A A A A A A x r T C T F Q t Q t dx V F dx F r F x T t dx Q x T550:178/ 1.7810/36.4/()0.03 1.7810146.536.4-==⨯ =⋅-⨯⨯===已知p A r p H kJ mol J mol C J mol K y H KC λ∆∆绝热操作线方程为:()()007()380146.52737.06101273exp(7413/)=+-=++=⨯--令:f A A A A A t t x x x tx x T λ()0.683331.5101000 1.510 1.5--=⨯ =⨯⨯=⎰所以A A r f x dx V m7.8 题7.7所述乙炔水合反应,在绝热条件下进行,并利用反应后的气体预热原料,其流程如图7A 所示.所用预热器换热面积50m 2,乙炔浓度为3%的原料气以1000m 3(STP)/h 的流量首先进入预热器预热,使其温度从100℃升到某一定值后进入体积为1m 3的催化剂床层中绝热反应,反应速率方程见题7.7,预热器总传质系数为17.5w/m 2K,反应气体热容按36.4J/molK 计算,试求:(1) (1) 绝热温升(可不考虑反应过程中反应气体总摩尔数的变化).(2) (2) 计算反应器出口可能达到的乙炔转化率(列出方程式,并用文字说明求解过程).解:(1)绝热温升.按题意,在计算绝热温升时可忽略反应过程总摩尔数的变化.50500.03, 1.7810/,36.4/()0.03 1.7810146.536.4=-=⨯=⋅-⨯⨯===A r p A r p y H J mol C J mol K y H KC λ∆∆(2)列方程求解转化率:(A)由绝热床热量衡算得:T f =T 0+146.5X Af (1) (B)由预热器热量衡算得: T 0-373= T f -T 2 (2) (C) (C) 预热器中,传热的对数平均温度差为:()()2020373373ln ---=--fm f T T T T T T T ∆传热速率方程:()253335232222/, 1.01310,273,1000/,8.31410/1.01310100044.63/ 1.2410/8.3141027317.5/17.5/17.5501.2--= ==⨯== =⨯⋅⋅⨯⨯===⨯⨯⨯=⋅=⋅⋅ A =50⨯-=而又t p f mt t mf F C T T UA T F PQ RT P Pa T K Q m h R Pa m kmol KF kmol h kmol s U w m K J s m K m T T T ∆∆()()2023203731.938 1.938(3)411036.410ln 373----== -⨯⨯⨯-f m f T T T T T T T ∆(D)绝热床反应体积:()00000011211230.50.0321=-++--==- = =+⎰Afx r A AAA A A A A A A A V F dx kC C x T y C y x T δδ式中C A0为床层进口处浓度,而C A0=P A0/RT 0=0.03×1.013×105/(8.314×103T 0) =0.36655/T 0 kmol/m 3()()030010.3655/10.0150.0344.67 1.34/-= -=⨯=A A A A x T C kmol m T x T F kmol h故有:()7001.341(4)(1)0.36557.0610exp 7413/10.015== -⨯--⎰Afx Ar A A dx V T x T x T T联立解方程(1)-(4)便可解出T 0,T f ,T 2,X Af7.9 某合氨厂采用二段间接换热式绝热反应器在常压下进行如下反应:222+→+CO H O CO H热效应△Hr=-41030J/mol,进入预热器的半水煤气与水蒸汽之摩尔比1:1.4,而半水煤气组成(干基)为:组成 CO H 2 CO 2 N 2 CH 4 其他 ∑ mol% 30.4 37.8 9.46 21.3 0.79 0.25 100图7b 为流程示意图,图上给定了部分操作条件,假定各股气体的热容均可按33.51J/molK 计算,试求Ⅱ段绝热床层的进出口温度和一氧化碳转化率,设系统对环境的热损失为零.解:(1)预热器热量衡算:0222300105250300445'+=+⨯''+=+ = p p p f p FC t FC t FC T FC t t C (2)第一段绝热床热量衡算:()()1110010110.304141030155.21 1.433.490.8155.20.8124.1'-==--⨯===+'-= -=⨯= A A r pt t x x x y H C x x t t C λλλ∆∆ (3)由Ⅰ,Ⅱ段绝热床的中间换热器热量衡算得:1121121122300300124.1,300124.1,:124.1300424.1'+=+'-=-'-= -==+= 上面已算出所以,故有p p p p FC FC t FC t FC t t t t t t C t t C(4)列第二段绝热床热量衡算:()()2221222122122,,:445424.1155.2(0.8):0.9347''=+- -=-'-=-=把的值代入上式解得t t x x t t x x t t x x x λλ7.10在氧化铝催化剂上进行乙腈的合成反应:2233292.2/+→+ =-r C H NH CH CN H H kJ mol ∆设原料气的摩尔比为C 2H 2:NH 3:H 2=1:2.2:1,采用三段绝热式反应器,段间间接冷却,使每段出口温度均为550℃,而每段入口温度亦相同,已知反应速率式可近似地表示为:()4221/ 3.0810exp(7960/)=- ⋅ =⨯-A A r k x kmolC H kg h k T式中A x 为乙炔的转化率,液体的平均热容为128/=⋅pC J mol K ,如要求乙炔转化率达到92%,并且日产乙腈20吨,问需催化剂量多少?解:以A 表示乙炔,3020********.09/240.9224410.92⨯⨯===⨯⨯⨯⨯乙腈A F kmol hM在热衡算中忽略反应过程总摩尔数的变化,并把各段的p C 视为相等,对每一段均有:()()()()0000044:92.2/9.2210/19.2210171.51 2.21128=----===-==⨯⨯==++则有t p r A A r A r r A A AAAt ppt pr A AF C T H F x H F H H y F T xxxF C C F C H kJ mol J molT x x ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆依题意,各段进出口温度相等即各段△T 相等,所以各段转化率差△X A 亦相等,因此有:△X A =1/3×0.92=0.3067各段△T 为: △T=171.5△X A =171.5×0.3067=52.59K 因而各段进口温度=823-52.59=770.4KA()0.30670.306710001122.091==-⎰⎰A A Aw F dx dx r k x0.30670.2576(1)=-⎰AA dx k x因此,w 1=22.09×0.2576=5.690 Kg0.61340.306710.4212(1)=-⎰A A dx k x故有:w 2=22.09×0.4212=9.304 Kg0.920.613411.04(1)=-⎰A A dx k xw 3=22.09×1.04=22.96 Kg催化剂总重量=5.69+9.304+22.96=37.95 Kg7.11 例7.3所述的两段绝热式水煤气变换反应器,若第一段出口一氧化碳的转化率为84%,为使该段的催化剂用量最少,则第一段进口气体的温度应为多少?试利用题7.3所给的数据计算并与该题给定的第一段入口温度值相比较.解:用T 0表示第一段入口温度,第一段绝热操作线方程为: T=T 0+155.2X A (1) 例7.3中(G)式:()()()()2*20165421.674111⎡⎤⎛⎫∂⎢⎥ ⎪ ⎪--⎢⎥⎝⎭=⎢⎥∂--⎢⎥⎢⎥⎣⎦AA A A x R T k p x T ββ例7.3中(B)式:()*42.17210exp 6542//min -=⨯- ⋅⋅k T mol g Pa将(B)式代入(G)式得:()()()()()2420165421.6741(2)2.17210exp 6542/11-⎡⎤⎛⎫∂⎢⎥ ⎪ ⎪--⎢⎥⎝⎭= ⎢⎥∂⨯---⎢⎥⎢⎥⎣⎦AA A A x R T T P x T ββ将(1)式代入(2)式得:()()()()()()224000165421.6741(3)2.17210exp 6542/155.211155.2-⎡⎤⎛⎫∂⎢⎥⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎢⎥∂⎢⎥⎢⎥⎣⎦-=⎡⎤⨯-+--+⎣⎦A A x A A A A R T T x P x T x ββ而P A0=03.1267P t =0.1267×101325=1.284×104Pa 代入(3)式得:()()()()()()()()22440032200165421.674165422.17210 1.2841011155.2exp 155.21.67412.34610(4)654211155.2exp 155.2-⎡⎤⎛⎫∂⎢⎥⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎢⎥∂⎢⎥⎢⎥⎣⎦-=⎛⎫-⨯⨯⨯--+ ⎪+⎝⎭-=⨯ ⎛⎫---+ ⎪+⎝⎭A A x A A A A A A R T x T x T x x T x T x ββββ为使第一段催化剂用量最小,需符合(7.30)所表示的最佳化条件:()11,[]0;1,2,(7.30)+⎛⎫∂ ⎪ ⎪⎝⎭==⋅⋅⋅ ∂⎰A i AAx A A A x x R x T dx i N T(4)式代入(7.30)式得:()()()()30.840220065422.34610 1.6741exp 155.2011155.2⎛⎫-⨯- ⎪+⎝⎭=--+⎰A A A A T x dx x T x ββ()()()()()02065421.6741exp 155.2(5)11155.2⎛⎫-- ⎪+⎝⎭ = --+令A A A A T x f x x T x ββ上式变为:()()0.8430.8402.3461000(6)⨯= = ⎰⎰即A A A A f x dx f x dx符合(6)式的T 0即为所求的最佳第一段入口温度.上面有关式子中的β,可用例7.3中(C)式求得:()()()()34444443.99110 1.28310 1.59410 1.283101.283101 5.90910 1.283100.0165exp(4408/)7.3⨯+⨯⨯+⨯=⨯-⨯-⨯= 例中(A)式A AA A x x x x KpKp T β将(1)式代入例7.3(A)式得:Kp=0.0165exp[4408/(T 0+155.2X A )] (7) 将(7)式代入例7.3中(C)式得:()()()()()()()()34444443。

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tc rd d AA -=-，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 ↔C A+C ↔D 解(1)D4C A 3D D 4C A 3C 22BA 1C C22B A 1B D 4C A 3C 22B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=(2)E6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22BA 1C D4C B 3C 22B A 1B C22B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-=(3)D4C A 3D D 4C A 3C 22B2A 1C C22B 2A 1B D 4C A 3C 22B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65×104m 6kmol -2s -1。

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 moln P=n A0Y P=18.96 moln 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 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln 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/h100kmol 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 22.9210.29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。

反应工程第二版完整答案（可编辑）反应工程第二版完整答案1 绪论11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 2413摩尔比反应后甲醇的转化率达72甲醛的收率为692试计算1 反应的选择性2 反应器出口气体的组成解1由17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 2413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 22413 027402740 空气 42413 05479 5479 水132****17811781 总计 1000 1000 设甲醇的转化率为XA甲醛的收率为YP根据13和15式可得反应器出口甲醇甲醛和二氧化碳的摩尔数nAnP和nc分别为nA nA0 1-XA 7672 molnP nA0YP 1896 molnC nA0 XA-YP 07672 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 nW0nP2nC 3830 molnO nO0-12nP-32nC 08788 molnN nN0 4328 mol所以反应器出口气体组成为组分摩尔数mol 摩尔分率 CH3OH 7672 6983 HCHO1896 1726 H2O 383 3487 CO2 07672 06983O2 08788 07999 N2 4328 39391 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 Bkgh 粗甲醇 Akmolh100kmol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 2682 1549 H26825 6978 CO2 146 082 CH4 055 362N2 292 1029 粗甲醇的组成为CH3OH 8915 CH3 2O355C3H9OH 110H2O 620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 982gCO 938gH2 176gCH4 214gN2538g若循环气与原料气之比为72摩尔比试计算1 一氧化碳的单程转换率和全程转化率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100kmolh则根据已知条件计算进料原料气组成以质量分率表示如下组分摩尔质量 yi0 mol Fi0 kmolh 质量分率xi0 CO 282682 2682 7205 H2 2 6825 6825 131 CO2 44146 146 6164 CH4 16 055 055 08443 N2 28292 292 7844 总计 100 100 100 其中xi yiMi?yiMi进料的平均摩尔质量Mm ?yiMi 1042kgkmol经冷凝分离后的气体组成亦即放空气体的组成如下组分摩尔质量摩尔分率yi CO 28 1549 H2 2 6978CO2 44 082 CH4 16 362 N2 28 1029 总计 100 其中冷凝分离后气体平均分子量为Mm ?yiMi 9554又设放空气体流量为Akmolh粗甲醇的流量为Bkgh对整个系统的N2作衡算得538B28×100001029A 292 A对整个系统就所有物料作衡算得100×1042 B9554A B联立AB两个方程解之得A 2691kmolhB 7852kgh 反应后产物中CO摩尔流量为FCO 01549A938B 28×1000将求得的AB值代入得FCO 4431 kmolh故CO的全程转化率为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FCO0 100×0268272×100×01549 1384 kmolh所以CO的单程转化率为产物粗甲醇所溶解的CO2COH2CH4和N2总量D为粗甲醇中甲醇的量为B-D X甲Mm 7852-002848B ×0891532 2125 kmolh所以甲醇的全程收率为Y总 21252682 7924甲醇的单程收率为Y单 21251384 15362 反应动力学基础21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1223重量混合物的密度为1gmL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的浓度随时间变化的数据如下反应时间h 10 20 30 40 50 60 70 80 90 CA molL 09061 042 028 017 012 008 0045 003 试求反应时间为35h的A的水解速率解利用反应时间与组分A的浓度变化数据作出CA,t的关系曲线用镜面法求得t 35h时该点的切线即为水解速率切线的斜率为由26式可知反应物的水解速率为22在一管式反应器中常压300?等温下进行甲烷化反应催化剂体积为10ml原料气中CO的含量为3其余为N2H2气体改变进口原料气流量Q0进行实验测得出口CO的转化率为Q0 mlmin 833 676 500 385 294 222 X20 30 40 50 60 70 试求当进口原料气体流量为50mlmin时CO的转化速率解是一个流动反应器其反应速率式可用27式来表示故反应速率可表示为用XA,VRQ0作图过VRQ0 020min的点作切线即得该条件下的dXAd VRQ0 值α VRQ0min 012 0148 020 026 034 045 XA 200300 400 500 600 700故CO的转化速率为23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式中yCO和yCO2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率01MPa压力及700K时反应速率常数kW等于00535kmolkgh如催化剂的比表面积为30m2g堆密度为113gcm3试计算1 以反应体积为基准的速率常数kV2 以反应相界面积为基准的速率常数kg3 以分压表示反应物系组成时的速率常数kg4 以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数kC解利用210式及228式可求得问题的解注意题中所给比表面的单位换算成m2m3 24在等温下进行液相反应AB?CD在该条件下的反应速率方程为若将A和B的初始浓度均为3moll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15moll故可把反应速率式简化得由26式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得XA 827625氨合成塔入口的气体组成为35NH3208N2626H2708Ar及589CH4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10mol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逆反应的活化能450?时且490?时Kp可按下式计算注m3为标准立方米解题中给出450?时的k2值而反应是在490?下故首先要求出490?时的k2值利用227试求出频率因子A490?的Kp值由题给公式计算出求k1值求各组分的分压值各组分的分率及分压值为NH3 10 pNH3 3MPa N2 1906 pN2 5718MPa H2 5718pH2 1715MPa Ar CH4 1379 pAr CH4 4137MPa 反应速率为26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 是可逆反应还是不可逆反应2 是放热反应还是吸热反应3 在等温线上ADOEM点中哪一点速率最大哪一点速率最小4 在等转化率线上HCROF及B点中哪一点速率最大哪一点速率最小5 在CR两点中谁的速率大6 根据图中所给的十点中判断哪一点速率最大解图21 图221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HM点的速率大小27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28常压下在钒催化剂上进行SO2氧化反应原料气组成为7O2及82N2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化学计量数等于2反应式为其平衡常数与温度的关系为该反应的热效应解1求出转化率为80时各组分的分压以100mol为基准x SO2 O2 SO3 N2 ? 0 70 110 0 820 1000080 7 1-080 14 11-56×05 82 560 820 9722求与上述组成对应的平衡常数KP值3 求平衡温度Te4 利用231式求逆反应活化能值5 利用231式求最佳温度TOP29在一恒容反应器中进行下列液相反应式中rRrD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2kmolm3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利用26式积分之210在催化剂上进行三甲基苯的氢解反应反应器进口原料气组成为6667H23333三甲基苯在01Mpa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 此时反应器出口的气体组成2 若这两个反应的动力学方程分别为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 用物料衡算求出口气体组成组分名称 X 0时 X 08时三甲基苯 A 3333 33331-X氢B 6667 6667-3333X-Y 二甲基苯 C 0 3333X-Y甲烷 D 0 3333XY 甲基苯E 0 Y ? 10001000 由题给条件可知混合气中氢的含量为20所以有6667-3333X-Y 20解得Y 6667-3333×08-20 2001kmol甲苯量生成的二甲基苯量3333×08-2001 6654kmol生成的甲烷量3333×082001 4667kmol剩余的三甲基苯量3333×1-08 6666kmol氢气含量为20kmol故出口尾气组成为三甲基苯6666氢气20二甲基苯6654甲烷4667甲基苯20012 由题给条件可知三甲基苯的出口浓度为211在210?等温下进行亚硝酸乙脂的气相分解反应该反应为一级不可逆反应反应速率常数与温度的关系为若反应是在恒容下进行系统的起始总压为01013MPa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反应速率式表示为设为理想气体反应物A的初始浓度为亚硝酸乙脂的分解速率为乙醇的生成速率为2恒压过程由于反应前后摩尔数有变化是个变容过程由249式可求得总摩尔数的变化由于反应物是纯A故有yA0 1由252式可求得组分的瞬间浓度乙醇的生成速率为212甲烷与水蒸气在镍催化剂及750?等温下的转化反应为原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为14若这个反应对各反应物均为一级已知k2lmols试求1 反应在恒容下进行系统的初始总压为01013MPa当反应器出口的CH4转化率为80时CO2和H2的生成速率是多少2 反应在恒压下进行其他条件如1CO2的生成速率又是多少解1由题意可将反应速率表示为对于恒容过程则有当XA0 08时2对于恒压过程是个变容反应过程由249式可求得总摩尔数的变化反应物A的原始分率由252式可求得转化率为80时的浓度213在473K等温及常压下进行气相反应123式中CA为反应物A的浓度moll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首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率总反应速率为以一摩尔反应物A为基准总摩尔变化数为初始浓度为则有方法2可将CA表示为方法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SRSS因而可求出产物R及S的收率yRyS求得A转化率为85时的分率其中214在Pt催化剂上进行异丙苯分解反应以AB及R分别表示异丙苯苯及丙烯反应步骤如下 123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以表面反应速率方程来代表整个反应的速率方程由于将代入上式得整理得将代入速率方程中其中215在银催化剂上进行乙烯氧化反应化作其反应步骤可表示如下1234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整个反应的速率方程以表面反应的速率方程来表示根据总覆盖率为1的原则则有或整理得将代入反应速率方程得其中216设有反应其反应步骤表示如下 123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的吸附速率故有整理得根据定态近似原则因为将代入上式化简后得最后将代入吸附速率式即为该反应的动力学方程式217一氧化碳变换反应在较低温度下其动力学方程可表示为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其余的两步可认为达到平衡则有由于有将代入速率式得式中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 com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积分得用,t作图t h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0044208311253160921082457286234383843 作图得一直线其斜率为0425h-1故假设一级反应是合理的其动力学方程可表示为用微分法求解动力学方程首先用CA,t曲线在曲线上取时间为0129h所对应点的切线为了准确可采用镜面法求得各切线的斜率即为对应的dCAdt之值然后再以dCAdt,CA作图所求的dCAdt值如下表所示t h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CA moll 140090 061 040 028 017 012 008 0045 003dCAdt mollh 070 045 0295 0191 0147 0095 0060033 0025 0015 设为一级不可逆反应用dCAdt,CA作图得一直线其斜率为05h-1其动力学方程可表示为或将速率方程直线化即两边取对数得可简化为y bax形式利用多元回归可求得反应级数n 1004?1反应速率常数值为k 04996还可用一数学公式来拟合CA,t曲线然后再将该数学公式对t求导求得dCAdt之值此法会比作图法来的准确219在Ni催化剂上进行甲烷化反应由实验测得200?时甲烷的生成速率RCH4及CO和H2的分压pCOpH 2的关系如下pCO MPa 010 018 0408 072 105 pH2 MPa01013 01013 01013 01013 01013 RCH4若该反应的动力学方程可用幂函数表示试用最小二乘法求一氧化碳的反应级数及正反应速率常数解由题意可写出速率方程式但由于氢的分压保持为01013MPa的恒定值反应速率式可简化为式中将速率式直线化或式中由残差平方和最小而导出最小二乘法的系数计算式序号 y x x2 xy 1 -4916 -2303 5302 1132 2-4328 -1715 2941 7421 3 -3507 -0897 0804 31444 -2941 -0329 0108 09665 -2564 -0049 0002 -0125-1826 -5293 9157 2273 将累加值代入ab系数式中得220在铂催化剂上乙烯深度氧化的动力学方程可表示为式中pApB分别表示乙烯及氧的分压在473K等温下的实验数据如下号pA×103MPa pB×103MPa r×104molgmin 1 89903230 0672 2 1422 3000 1072 3 8860 40800598 4 8320 2030 0713 5 4370 0890 06106 7750 1740 08347 7750 1820 0828 8 61701730 0656 9 6130 1730 0694 10 6980 15600791 11 2870 1060 0418 试求该温度下的反应速率常数k和吸附平衡常数KB解首先将动力学方程式直线化或y bax其中序号y x×103 x2×105 xy×103 r″×104 δ 10657 3320 1043 2123 0678 090 2 0631 30000900 1892 1126 50 3 0778 4080 1665 3172 056850 4 0487 2020 0412 0988 0829 163 5 02530890 0079 0225 0582 46 6 0402 1740 0303 07000833 01 7 0413 1820 0331 0751 0816 14 80403 1730 0299 0698 0665 14 9 0391 1730 02990676 0661 48 10 0371 1560 0243 0579 0787 0511 0270 1060 0112 0286 0369 117 ? 5056 22875668 1209平均偏差结果是令人满意的3 釜式反应器31在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应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002moll反应速率常数等于56lmolmin要求最终转化率达到95试问1 当反应器的反应体积为1m3时需要多长的反应时间2 若反应器的反应体积为2m3所需的反应时间又是多少解12 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283h32拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应以生产乙二醇产量为20?h使用15重量的NaHCO3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11混合液的比重为102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52lmolh要求转化率达到951 若辅助时间为05h试计算反应器的有效体积2 若装填系数取075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80584 和 62kgkmol每小时产乙二醇2062 03226 kmolh每小时需氯乙醇每小时需碳酸氢钠原料体积流量氯乙醇初始浓度反应时间反应体积2 反应器的实际体积33丙酸钠与盐酸的反应为二级可逆反应对丙酸钠和盐酸均为一级在实验室中用间歇反应器于50?等温下进行该反应的实验反应开始时两反应物的摩尔比为1为了确定反应进行的程度在不同的反应时间下取出10ml反应液用0515N的NaOH溶液滴定以确定未反应盐酸浓度不同反应时间下NaOH溶液用量如下表所示时间min 0 10 20 30 50 ? NaOH用量ml 522 321235 189 144 105 现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸产量为500kgh且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的90试计算反应器的反应体积假定1原料装入以及加热至反应温度50?所需的时间为20min且在加热过程中不进行反应2卸料及清洗时间为10min3反应过程中反应物密度恒定解用ABRS分别表示反应方程式中的四种物质利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度也就是丙酸钠的浓度因为其计量比和投量比均为11为于是可求出A的平衡转化率现以丙酸浓度对时间作图由上图当CA 00515×147moll时所对应的反应时间为48min由于在同样条件下间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关所以该生产规模反应器的反应时间也是48min丙酸的产量为500kgh 1126molmin所需丙酸钠的量为1126072 1564molmin原料处理量为反应器体积实际反应体积34在间歇反应器中在绝热条件下进行液相反应其反应速率方程为式中组分A及B的浓度CA及CB以kmolm3为单位温度T的单位为K该反应的热效应等于-4000kJkmol反应开始时溶液不含R组分A和B的浓度均等于004kmolm3反应混合物的平均热容按4102kJm3K计算反应开始时反应混合物的温度为50?1 试计算A的转化率达85时所需的反应时间及此时的反应温度2 如果要求全部反应物都转化为产物R是否可能为什么解 1由数值积分得出2 若A全部转化为R即XA 10则由上面的积分式知t??这显然是不可能的35在间歇反应器中进行液相反应A的初始浓度为01kmolm3CD的初始浓度为零B过量反应时间为t1时CA 0055kmolm3CC 0038 kmolm3而反应时间为t2时CA 001 kmolm3CC 0042kmolm3试求1 k2k12 产物C的最大浓度3 对应C的最大浓度时A的转化率解 1 因为B过量所以恒容时ABB式除以A式得解此微分方程得C将t1CACC及t2CACC数据代入C式化简得解之得2 先求出最大转化率3 产物C的最大收率产物C的最大浓度36 在等温间歇反应器中进行液相反应初始的反应物料中不含A2和A3A1的浓度为2moll在反应温度下k1 40min-1k2 36min-1k3 15min-1试求1 反应时间为10min时反应物系的组成2 反应时间无限延长时反应物系的组成3 将上述反应改为反应时间无限延长时反应物系的组成解根据题中给的两种反应情况可分别列出微分方程然后进行求解但仔细分析这两种情况其实质是下述反应的特例A 当时A式变为B 当时A式变为C 当时A式变为D 其中式D即为书讲的一级不可逆连串反应可见只要得到A式的解则可容易化简得到B C 及 D 式的解对于 A 式可列出如下微分方程组123由题意知初始条件为4 联立求解此微分方程组可得567 式中由如下式确定89 现在可用上述结果对本题进行计算1由5,9式得2当t??时由5,9式得3此时为的情况当t??时由得37拟设计一反应装置等温进行下列液相反应目的产物为RB的价格远较A贵且不易回收试问1 如何选择原料配比2 若采用多段全混流反应器串联何种加料方式最好3 若用半间歇反应器加料方式又如何解1由上式知欲使S增加需使CA低CB高但由于B的价格高且不易回收故应按主反应的计量比投料为好2保证CA低CB高故可用下图所示的多釜串联方式3用半间歇反应器若欲使CA低CB高可以将B一次先加入反应器然后滴加A 38在一个体积为300l的反应器中86?等温下将浓度为32kmolm3的过氧化氢异丙苯溶液分解生产苯酚和丙酮该反应为一级反应反应温度下反应速率常数等于008s-1最终转化率达989试计算苯酚的产量1 如果这个反应器是间歇操作反应器并设辅助操作时间为15min2 如果是全混流反应器3 试比较上二问的计算结果4 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍其他条件不变结果怎样解1苯酚浓度苯酚产量2全混流反应器苯酚产量3说明全混釜的产量小于间歇釜的产量这是由于全混釜中反应物浓度低反应速度慢的原因4由于该反应为一级反应由上述计算可知无论是间歇反应器或全混流反应器其原料处理量不变但由于CAB增加一倍故C苯酚也增加一倍故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍39在间歇反应器中等温进行下列液相反应rD及rR分别为产物D及R的生成速率反应用的原料为A及B的混合液其中A 的浓度等于2kmolm31 计算A的转化率达95时所需的反应时间2 A的转化率为95时R的收率是多少3 若反应温度不变要求D的收率达70能否办到4 改用全混反应器操作反应温度与原料组成均不改变保持空时与1的反应时间相同A的转化率是否可达到955 在全混反应器中操作时A的转化率如仍要求达到95其它条件不变R的收率是多少6 若采用半间歇操作B先放入反应器内开始反应时A按1计算的时间均速加入反应器内假如B的量为1m3A为04m3试计算A加完时组分A所能达到的转化率及R 的收率解1第二章29题已求出t 0396h 2423min23 若转化率仍为095且温度为常数则D的瞬时选择性为D的收率这说明能使D的收率达到704对全混流反应器若使τ t 03958h则有解之得CA 04433所以这说明在这种情况下转化率达不到955 对全混流反应器若X 095则R的收率为6依题意知半间歇式反应器属于连续加料而间歇出料的情况为了求分组A的转化率及R的收率需要求出A及R 的浓度随时间的变化关系现列出如下的微分方程组对A 1对R23在反应时间t 04038h为方便起见取t ?04h内将04 m3的A均速加入反应器内故采用间歇釜操作时原料为A与B的混合物A的浓度为2kmol m3现采用半间歇釜操作且故可算出原料A的浓度为由于代入12式则得如下一阶非线性微分方程组45初始条件t 0CA 0CR 0可用龙格---库塔法进行数值求解取步长?t 002h直至求至t 04h即可用t 04h 时的CA和CR可以进行A的转化率和R的收率计算式中VA为所加入的A的体积且VA 04m3CA0为所加入的A的浓度且CA07kmolm3V为反应结束时物系的体积V 14m3同理可以计算出R的收率310在两个全混流反应器串联的系统中等温进行液相反应加料中组分A的浓度为02kmolm3流量为4m3h要求A的最终转化率为90试问1 总反应体积的最小值是多少2 此时目的产物B的收率是多少3 如优化目标函数改为B的收率最大最终转化率为多少此时总反应体积最小值是多少解1对上式求dVrdXA1 0可得将XA2 09代入上式则解之得XA1 0741所以总反应体积的最小值为2即解得CB1 0005992 kmolm3 同理解得CB2 000126 kmolm3B的收率3 目标函数改为B的收率这时的计算步骤如下对于第i个釜组分AB的衡算方程分别为对A对B当i 1时12当i 2时34由1式解出CA1代入2式可解出CB1 由1式解出CA1代入3式可解出CA2将CB1及CA2代入4式可解出CB2其为τ1τ2的函数即5式中CA0为常数由题意欲使CB2最大则需对上述二元函数求极值联立上述两个方程可以求出τ1及τ2题中已给出Q0故由可求出CB2最大时反应器系统的总体积将τ1τ2代入5式即可求出B的最高浓度从而可进一步求出YB将τ1τ2代入CA2则由XA2 CA0-CA2 CA0可求出最终转化率311在反应体积为490cm3的CSTR中进行氨与甲醛生成乌洛托品的反应式中A--NH3 B HCHO反应速率方程为式中氨水和甲醛水溶液的浓度分别为106moll和623moll各自以150cm3s的流量进入反应器反应温度可取为36?假设该系统密度恒定试求氨的转化率XA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度CA及CB解即得整理得解得XAf 0821反应器出口AB得浓度分别为312在一多釜串联系统22kgh的乙醇 com进行可逆反应各个反应器的体积均为001m3反应温度为100?酯化反应的速率常数为476×10-4lmolmin逆反应酯的水解的速率常数为163×10-4 lmolmin反应混合物的密度为864kgm3欲使醋酸的转化率达60求此串联系统釜的数目解等体积的多釜串联系统ABCD分别代表乙酸乙酸乙酯和水由计量关系得从已知条件计算出将上述数据代入A式化简后得到若i 1则B式变为解之得若i 2则B式变为解之得若i 3则B式变为解之得即三釜串联能满足要求313以硫酸为催化剂由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯仓库里闲置着两台反应釜一台的反应体积为3m3另一台则为1m3现拟将它们用来生产醋酸丁酯初步决定采用等温连续操作原料中comolm3丁酯则大量过剩该反应对醋酸为2级在反应温度下反应速率常数等于12m3hkmol要求醋酸的最终转化率不小于50这两台反应釜可视为全混反应器你认为采用怎样的串联方式醋酸丁酯。

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）2. aA + bBpP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。

（ap）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。

（00K KK 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βαB AC 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 。