化学反应工程习题.doc

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N2+3H2=2NH3中用N2、H2、NH3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的反应，其反应速率表达式为，试求反应速率=？；若反应的化学计量式写成，则此时反应速率=？为什么？3、某气相反应在400 oK时的反应速率方程式为 ，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为 ，该反应速率常数的数值、单位如何？4、在973 oK和294.3103恒压下发生下列反应：C4H102C2H4+H2 。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235.4103/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）H2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。5、某溶液反应：A+BC，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CA0 = 2 kmol/m3，CB0 = 4 kmol/m3，CR0 = CS0 = 0。反应混合物体积的变化忽略不计。反应一段时间后测得CA = 0 .3 kmol/m3，CR = 1.5 kmol/m3。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。7、一级可逆反应A = R在等温下进行。已知CA0 = 500mol/m3，CR0 = 0。若该反应在一间歇反应器中进行，且在反应温度下。经480 s后测得。（1）试确定此反应的动力学方程；（2）计算分别达到0.6和0.65所需的反应时间；（3）比较计算结果，你有什么体会？8、反应 H2 +C2H4 =C2H6 ，开始时各组分的含量为：2 mol H2、4 mol C2H4、2 mol 惰气，当H2的转化率为50%时，试计算该物系的总 mol 数。9、在BR中，以硫酸为催化剂使过氧化氢异丙苯分解成苯酚、丙酮。该反应为一级反应，反应速度常数k为0.08s-1，若每小时处理过氧化氢异丙苯3m3，求转化率达98.8%时所需反应釜的实际体积为多少？每批操作非生产时间为3544.8s，装料系数为0.65(因反应过程起泡沫)。10、反应物质A，按二级反应动力学方程式等温分解，在理想间歇釜式反应器中5min后转化率为50%，试问在该反应器中转化75%的A物质，需要增加多少分钟？11、在理想置换管式反应器内进行一个一级不可逆等温反应。反应器的有效体积为2 m3，原料以0.4 m3/ h的流量进入反应器，测得出口处转化率为60%；若改变原料流量为0.2 m3/ h，其它条件不变，出口处转化率应为多少？12、在管式反应器中进行一裂解反应A=R+S，实验测得该反应为一级不可逆反应，其动力学方程式为，若反应在P=101.3103Pa，T=546K的条件下进行，反应速度常数kP=7.7510-6Pa，试计算：（1） 处理量为432m3/day的原料气要求转化率达82.6%时，所需反应器的VR？（2） 若反应器的反应管内径为100mm，则管长为多少？13、在实验室内用一个间歇搅拌的烧瓶进行一级不可逆反应，反应2h后，转化率达到99.9%。若改用连续化生产，并将反应器放大，选用一个CSTR进行此反应，其它工艺条件不变，平均停留时间为2h，且保持原来的反应速度常数值，试计算该反应的最终转化率。14、在一容积为120的连续搅拌釜式反应器中进行如下液相反应： 含A为2.8的进料流与含B为1.6的进料流分别以相同的流率同时加入反应器中，若反应过程中物料的容积不发生变化，试求出口流中B的转化率为75%时，两股进料流的流量各是多少？15、用醋酸酐水解制醋酸是在一多段串联搅拌釜内进行的，已知醋酸酐进料为0.946m3/h，开始时没有醋酸存在，各釜反应均在150下进行，此时反应速率常数=0.0806min-1，转化率达到90%，求：（1）若为单釜操作时，所需反应器有效容积为多少？（2）若为多釜串联操作时，已知各釜反应器容积为单釜操作时有效容积的1/10，则需几个这样的反应器串联操作？16、在两釜串联的反应器中，进行一液相反应，A+B=R+S，若动力学方程式为（当CA=CB时），已知k=1 m3/kmol.s，CA0=CB0=1 kmol/ m3，物料经过两釜总的平均停留时间为1s，试求该反应经过两釜串联反应后的转化率为多少？（分别采用解析法、图解法计算。提示：两釜的停留时间相同即均为0.5s）17、有一液相反应为A+B = R+S，已知进料液量V0=0.5，在该温度下的反应速度常数k=100，原料初始浓度CA0=0.05，试求：（1） 若反应在PFR中进行，有效容积VR=1时，反应所能达到的转化率？（2） 若反应在CSTR单釜中进行，要求的转化率不变如（1），所需反应器的有效容积为多少？（3） 若反应仍在CSTR单釜中进行，而VR仍为1，则反应所能达到的转化率为多少？18、有一等温二级不可逆液相反应，其动力学方程式为，已知293K时反应速度常数k为10 m3/kmol.h，反应物A的初始浓度CA0为0.2 kmol/m3，加料速率V0为2 m3/h，试比较下列理想反应器组合方案的出口转化率。1)、两个有效体积均为2 m3的PFR反应器串联；2)、一个PFR反应器后串联一个CSTR反应器，二者有效体积均为2 m3；3)、一个CSTR反应器后串联一个PFR反应器，二者有效体积均为2 m3；4)、两个有效体积均为2 m3的CSTR反应器串联。19、有一级不可逆反应，在85时反应速度常数为3.45h-1，今拟在一个容积为10m3的釜式反应器中进行，若最终转化率，该反应器处理的物料量可达1.82m3/h。（1） 今若改用两个容积相同的串联釜操作，求总的反应器体积为多大？（2） 又若改用N个容积相同的串联釜，当N的数目足够大时，试证明所需的反应器总体积趋近于平推流反应器在同样工艺条件下所需的反应器体积。20、有一等温一级连串反应，在两个串联的理想连续釜式反应器中进行。每个釜的有效体积为2，加料速度为1，反应物A的初始浓度CA0=2，两个釜在同一温度下操作。k1=0.5-1，k2=0.25-1，试求第一釜及第二釜出口物料浓度CA、CR、CS。（过程可视为等温等容）21、若非基元复合反应： 其中。若目的产物为R，试讨论有利于选择性和收率的温度和浓度条件。22、在理想连续操作釜式反应器内进行某一级可逆反应：A = R，在操作条件下测得反应速度常数k1为10 h-1，k2为2h-1，在反应物料A中不含有R，其进料量为10 m3/ h，当反应的转化率达到50%时，平均停留时间及反应器的有效体积各是多少？23、考虑反应，其动力学方程式为，试推导在恒容下以总压P表示的动力学方程式。1 试证：（1） （2） （3）2 求下列颗粒的、及床层的与Se（1） 直径=5mm的圆球、=0.4;（2） 直径=5mm、高h=10mm的圆柱体、=0.4;（3） 直径=h=5mm的圆柱体、=0.4。3某厂乙苯脱氢固定床反应器采用铁系催化剂，制成直径=4mm、高h=10mm的圆柱体。试计算、及。4某轴向催化反应器，通气截面积为0.362m2，催化剂床层高度L=8.32m，床层内平均操作状态下反应混合物密度=53.7kg/m3，粘度=3.1810-5kg/m.s，进料气体量M=10.44kg/s,使用粒径为0.00470.0067m的颗粒催化剂，形状系数=0.33，床层空隙率=0.38。（1）计算床层压降；（2）若改用粒径为0.00330.0047m的颗粒催化剂，、不变，操作条件不变，求床层压降；（3）若改用径向反应器，催化剂装载量不变，床层内圈直径Din=0.216m，外圈直径Dout=0.72m，床高仍为L=8.32m。使用粒径为0.00330.0047m的颗粒催化剂，其它条件与轴向反应器相同，计算径向反应器床层压降。5年产量为5000吨的由乙苯脱氢生产苯乙烯的装置是一列管式固定床催化反应器，其反应式为： C8H10C8H8+H2 C8H10C7H8+CH4 已知：年生产时数为8300h，原料气体是乙苯与水蒸气的混合物，其重量比为1：1.5，乙苯的总转化率为40%，苯乙烯的选择性为96%，空速为SV=43.8m3(乙苯、水气)/ m3.cat.h，催化剂堆积密度为1.52T/m3，试求床层催化剂的重量。1、考虑反应，其动力学方程式为，试推导在恒容下以总压P表示的动力学方程式。解： t=0时 nA0 0 t=时 nA 3（nA0- nA） 则： 即： 或： 2、有如下平行反应： （主反应） （副反应） （1） 若采用间歇操作，试选择合适的加料方式；（2） 若采用连续操作，试选择用合适的反应器型式；（3） 若主、副反应的活化能分别为30和20，反应温度宜高还是宜低？解： （1） 若用间歇操作，应采用向事先含R的BR中同时加入A、B物料；（2） 若用连续操作，应选用CSTR，A、B同时连续加入；（3） E1 E2，反应温度宜高。（温度升高，有利于活化能高的反应）3、在管式反应器中进行一裂解反应A=R+S，实验测得该反应为一级不可逆反应，其动力学方程式为，若反应在P=101.3103Pa，T=546K的条件下进行，反应速度常数kP=7.7510-6Pa，试计算：（1）处理量为432m3/day的原料气要求转化率达82.6%时，所需反应器的VR？（2）若反应器的反应管内径为100mm，则管长为多少？ 解： ， 4、有一级不可逆反应，在85时反应速度常数为3.45h-1，今拟在一个容积为10m3的釜式反应器中进行，若最终转化率，该反应器处理的物料量可达1.82m3/h。（1）今若改用两个容积相同的串联釜操作，求总的反应器体积为多大？（2）又若改用N个容积相同的串联釜，当N的数目足够大时，试证明所需的反应器总体积趋近于平推流反应器在同样工艺条件下所需的反应器体积。解：（1） VR总=2 VR1= 2VR2 （1）同理可得： （2）（1）（2）有： （2a） 若采用PFR反应器，有： 则： （2b） 对N个容积相同的串联釜，则有： 故当N足够大时，所需总体积趋近于PFR反应器的体积。5、有一等温一级连串反应，在两个串联的理想连续釜式反应器中进行。每个釜的有效体积为2，加料速度为1，反应物A的初始浓度CA0=2，两个釜在同一温度下操作。k1=0.5-1，k2=0.25-1，试求第一釜及第二釜出口物料浓度CA、CR、CS。（过程可视为等温等容）解：第一釜： ， 第二釜： ， 6、在间歇反应中进行下列液相反应 原料混合物浓度为： 在反应时间为t，得到，（1）求此时组分和的浓度为多少？（2）A物质的转化率为多少？（3）R物质的收率为多少？解：（1）设t时和的浓度分别为和列出物料衡算表如下：组分 t=0 t= tA 2.0 B 4.0 R 0 S 0 6 解得 （2）转化率： （3）选择性： 收率： 例2-1 在间歇釜式反应器中，己二酸与己二醇以等摩尔比，在70时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以H2SO4为催化剂。由实验测得反应动力学方程式为： kmol/l.mink =1.97 l/kmol.min ，CA0 =0.004 kmol/l，式中为以己二酸作着眼组分的反应速率。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为80%，每批操作的辅助时间t0=1hr，试计算反应器的容积。装料系数=0.75。解 （1）计算达到规定转化率所需的时间因反应为二级反应，且CA0 = CB0 ，则可得 （2）计算反应器所需容积V每小时己二酸的进料量FA0为 FA0=式中146为己二酸分子量，每小时己二酸的体积流量V0为 V0=故反应器的有效容积VR为 VR=V0（t + t 0）=171（8.47+1）=1619 l=1.619m3反应器所需容积V为 例 2-2 在平推流反应器中,用己二酸与己二醇生产醇酸树脂，操作条件和产量与例2-1相同,试计算平推流反应器所需的体积。解 已知：A=0.8 ,k =1.97kmol.min CA0=0.004kmol/l ,V0=171 l/hr反应为二级反应,可得 VR=V0=1718.47=1450 l=1.45m3例 2-3 在理想混合反应器中用己二酸与己二醇生产醇酸树脂，操作条件与例2-1相同，试计算理想混合反应器的容积和平均停留时间。解 已知：A=0.8 ,k =1.97kmol.min CA0=0.004kmol/l ,V0=171 l/hr由式（2-45）可得 VR= V0CA0因为是二级反应故 VR= =7234 l=7.234m3 例 2-4 在两釜串联反应器中，用己二酸和己二醇生产醇酸树脂。在第一釜中己二酸的转化率为60%，第二釜转化率达到80%。反应条件与产量和例2-1相同，试计算反应器的总体积。解 由式（2-47）可得第一釜的容积VR1为 已知：V0=171 l/hr，CA0=0.004kmol/l , k =1.97kmol.min，1=0.6 将以上数值代入上式得 第二釜的容积VR2为 =故反应器的总体积为 VR = VR1+VR2 =1.36+1.81 = 3.17 m3例 2-5 由例2-1所给的数据，用图解法确定用四釜串联反应器生产醇酸树脂所需反应器的总体积。解 已知反应为二级反应，故CA kmol/l0.0040.00350.0030.00250.0020.00150.001 kmol/l.hr1.891.451.0620.7370.4720.2560.118将不同的CA值代入上式，即可求得相应的。结果见附表，将表中数据绘成曲线OM（见附图）。在图上定出出口浓度CA4 CA4= CA0（1-xA） = 0.004(1- 0.8) =0.0008 kmol/l然后假设一斜率,从CA0开始作四条斜率相等的直线,若所得的CA4与要求相符,则所假设之斜率正确,此时所得的CA1、CA2、CA3及CA4分别为各釜的出口浓度，若CA40.0008，则需重新设定斜率，直至符合为止。 经试差结果得：CA