化学反应工程1-7章部分答案.doc

第一章绪论 习题1.1解题思路: （1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性 （2）设进入反应器的原料量为100，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表： 组分摩尔分率摩尔数 根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。并根据反应的化学计量式求出 水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。 习题答案: (1)反应选择性 (2)反应器出口气体组成： 第二章反应动力学基础 习题2.1解题思路: 利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切 线，即为水解速率，切线的斜率。再由求得水解速率。 习题答案: 水解速率习题2.3 解题思路 利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位应换算成 。利用下列各式即可求得反应速率常数值。 习题答案: (1)反应体积为基准 (2)反应相界面积为基准 (3)分压表示物系组成 (4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路: 是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即 利用式（2.6）积分就可求出反应时间。 习题答案: 反应时间 习题2.11 解题思路: （1）恒容过程，将反应式简化为： 用下式描述其反应速率方程： 设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率 亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。 （2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变 化。这里反应物是纯A，故有： 由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率 由化学计量关系求出乙醇的生成速率。 习题答案: （1）亚硝酸乙酯的分解速率 乙醇的生成速率 （2）乙醇的生成速率第三章 釜式反应器 习题3.1 解题思路: (1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。 (2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器 的体积大小无关 习题答案: (1)反应时间t=169.6min. (2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路: （1）因为B过量，与速率常数k合并成，故速率式变为 对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。两式除可得： 解此微分方程可得与等的关系式并将数据代入此关系 式，化简可得： 解此式可得的关系式。 （2）最大转化率可用下式求解： （3）产物C的最大收率由式（3.67）求得： 产物C的最大浓度： 习题答案: （1） （2）对应于C最大浓度时A的转化率 （3）产物C的最大浓度习题3.8 解题思路: (1)首先写出该反应的反应速率方程式，然后将有关数值代入式（3.8）求得反应时间，再用式 （3.13）求取原料的流量，及苯酚的浓度，最后计算出苯酚的产量。 （2）全混流反应器，将有关数据代入式（3.47）求得苯酚的流量Q0，即可计算出苯酚的产量。 （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，反应速率慢的原因。 （4）由于该反应为1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cA0增加一倍，故苯酚的浓度也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一 倍。 习题答案: （1）间歇操作时的苯酚产量（2）全混流反应器的苯酚产量 （3）全混反应器的产量小于间歇反应器的产量，因为全混反应器中反应物浓度低，反应速率慢。 （4）不论哪一种反应器，若原料处理量不变，而初始浓度增加1倍，则苯酚产量也增加1倍。 习题3.9 解题思路: (1)本题已在习题2.9中求出，不再重复。 (2)产物R的收率为之比值，而值可用下式求得： 要求解上式必须知道产物R的瞬时选择性的表达式及转化率为95时的cA值。 (3)若A的转化率仍为95，且温度为常数，则D的瞬时选择性用下式表示： D的收率可用式（3.55）来计算。 (4)对全混流反应器，若，则用下式求解： (5)对全混流反应器，若，则R的收率用下式求解： (6)依题意知半间歇反应器属于连续加料而间歇出料的 情况。为了求组分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。首先必须列 出物系A和R的物料衡算式 (7)由已知条件可计算出Q0和cA0。将衡算式整理成一阶非线性微分方程组： 代入初始条件，用龙格库塔法进行数值求解。取步长，直至求至即可。用 时的可以进行A的转化率及R的收率的计算 同理可以计算出R的收率： 习题答案: (1)反应时间t=24.2min (2)产物R的收率 (3)D的收率，能达到 (4)A的转化率，不能达到 (5)全混流时R的收率 (6) 第四章 管式反应器 习题4.1 解题思路: 根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程。原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即则 有： 式中下标T和H分别代表甲苯和氢，可采用理想气体方程求出甲苯的初始浓度和流量，同时还要将 反应速率方程进行化简，最后利用式（4.5）求得反应器体积，并根据反应管的直径计算出反应 器的长度。 习题答案: 反应器长度为：1531.7m 习题4.7 解题思路: 对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或选择性最大。据动力学特征，其瞬 时选择性为： 由此式可知要使S最大，越小越好，而越大越好；而题意又给出R与B极难分离，故又要求 不能太大，兼顾两者要求。 （1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反 应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。 （2）若采用PFR，满足选择性最大的原则：即A组分分散进料，而B组分集中进料。 （3）如用半间歇反应器，（2）的进料方法仍适用，B组分一次全部加入。 习题答案: （1）如果R与B极难分离为主要矛盾，除第二个反应所需的A量外，第一个反应应需要 的A量比化学计量多些，以使B尽可能多的转化，达到R与B的分离。 （2）采用管式反应器，反应物A反应管的轴向分段进料，而反应物B则一次从入口加入。 （3）如用半间歇反应器，反应物B应一次全部加入，而反应物A则慢慢加入，直到转化隆符要求 为止。习题4.14 解题思路: （1）设A为关键组分，对平行反应而言，目的产物为P的瞬时选择性 （2）若a=1，求下列情况下的总选择性： 活塞流反应器：因为，且化学计量 系数 相同，所以。求得瞬时选择性。因此，总选择性计 算： 连续釜式反应器则有： PFR，且B侧线分段进料，器内B的浓度等于1kmol/m3。则总选择性： 习题答案: （1）产物P的瞬时选择性： （2）活塞流反应器的总选择性：32.6% 连续釜式反应器总选择性：50% 活塞流反应器，且B侧线分段进料，器内B的浓度等于，总选择性： 第五章 停留时间分布与反应器的流动模型 习题5.7 解题思路: (1)因是微观流体，故可用全混流反应器的物料衡算式（5.42），且又是闭式系统， 所以： 解此方程即得转化率。 (2)宏观流体，且是零级反应，故只能用离析流模型式(5.38)，先确定式中的关系，在间 歇反应器中反应速率式表示为：。而全混流反应器的停留时间分布 为： 代入（5.38）式中就可得到出口转化率： 由此可见，对于零级反应，其他条件均相同，仅混合态不同，则出口转化率是不同的。习题5.5 是进行1级反应，结果是不一样的。 习题答案: （1）微观流体时的出口转化率： （2）宏观流体时的出口转化率： 对于零级反应，在其他条件相同的情况下，出口转化率与流体的混合态有关，宏观流体出口 转化率低于微观流体。而对1级反应，混合态对出口转化率则无影响。习题5.8 解题思路: (1)用轴向扩散模型，首先确定模型参数Pe，而Pe值则由下式迭代求得 再将Pe值代入（5.69）式解得值。将Pe、值代入式（5.68）即可求得出口转化率XA。 (2)离析流模型，对于1级反应，间歇反应器的的表示式为： 代入下式解得反应器出口转化率XA。 由上述两种方法计算结果极为相近，这是由于在反应器中进行的是1级不可逆反应，混合态对其 无影响。 习题答案: 轴向扩散模型时出口转化率： 离析流模型时出口转化率： 两种方法计算结果极为相近，是由于进行1级不可逆反应，混合态对其无影响.第六章 多相系统中的化学反应与传递现象 习题6.3 解题思路: 首先由真密度和颗粒密度求得催化剂颗粒孔隙率，然后再根据式（6.2）及式（6.3）求得孔容及 平均孔半径。 习题答案: 孔容 孔隙率 平均孔半径习题6.9 解题思路: 首先要确定气体在催化剂颗粒中的扩散类型。然后利用式（6.42）求得CO的有效扩散系数。 判断结果属努森扩散，可用式（6.36）求得此值，最后利用式（6.42）求CO的有效扩散系数 习题答案: 有效扩散系数 习题6.11 解题思路: (1)判别外扩散阻力的影响用式（6.79）：只要符合上等式，外扩散影响可不计。 (2)判别内扩散阻力的影响，先求出，然后计算出该催化剂的内扩散有效因子，判别内扩散阻力 的影响情况。 因有，可借助（6.60）式估算出，由此可知内扩散阻力影响严 重。 (3)催化剂外表面与气相主体间温度差可用下式计算 习题答案: （1）因浓度差，从传质考虑，外扩散影响可不计。 （2）因，内扩散影响较严重。 （3）温度差为第七章 多相催化反应器的设计与分析 习题7.1 解题思路: 首先要知道床层的空隙率，而气体的实际流速是通过空隙率的气速，可用下面公式求得最终结果 习题答案: 真正的线速度：u=0.6m/s 习题7.5 解题思路: （1）计算氨分解基气体组成：关键是将量变为量，即为无氨基。首先设100mol原料 气，其中含有NH32.09mol，相当于多少mol的N2及多少mol的H2，因此，就可计算出无氨基气 体组成 （2）绝热操作线方程： 首先考虑反应过程中气体总摩尔数的变化。 以代表有氨基气体的摩尔分率，表示混合气体总摩尔流量，由可以看 出，每生成1摩尔NH3，混合气体总摩尔数减少1，所以生成氨的摩尔数为，（下标 A代表NH3，0代表进口处，均指有氨基的摩尔分率，混合气的总摩尔流量可表示为 （A) （）以N2的转化率表示组成时的绝热操作方程： 上式中（r）以反应每的N2计。并将式（A）代入，化简后得到进口处N2的转化率 为零时的操作方程，代入有关数据，化简后得（B） 现将表示成N2的转化隆数。将式（A）代入绝热方程求得生成NH3的摩尔数及反应消耗 NH3的摩尔数，得到以N2的转化率表示的的关系式，最后代入绝热方程式（B）中。 （）以NH3含量表示组成的绝热操作方程： 方法同上（），得到以表示组成的绝热操作方程。 忽略反应过程中气体总摩尔数的变化 （A）以N2转化率表示组成时的绝热操作方程： 将有关数据代入并化简后得表示的方程。 （B）以NH3含量表示组成的绝热操作方程： 将有关数据代入整理后得以表示的方程。 （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采用已导出的计算公式，将出口氨含量代入即得 忽略反应总摩尔数的变化时： 两温度差并不大，这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘故。若转化率高时两种方法计 算出来的床层出口温度将会有较大的差别。 习题答案: （1）进塔气体组成： 组成N2H2CH4 摩尔数22.86569.147.632.45102.1 摩尔分率22.4067.727.4742.40100 （2）A变容过程处理 以N2的转化率表示的绝热操作方程 以NH3含量表示的绝热操作方程 B恒容过程处理 以N2的转化率表示的绝热操作方程： 以NH3含量表示的绝热操作方程： （3）按变容过程处理时的床层出口温度:805.5K 按恒容过程处理时的床层出口温度:808.1K 两种方法处理的结果温差只有2.6K，这是由于氨合成反应体系总转化率不高的缘故