化学反应工程纸质作业答案.doc

中国石油大学（北京）远程教育学院化学反应工程纸质作业答案第一章（摩尔衡算）作业答案：P1-11A 在一个连续流动的反应器中反应：等温进行，计算当进料的摩尔流率为5mol/h, 假设反应速率-rA为：（a） -rA=k， k=0.05mol/h.L 时（b） -rA=kCA， k=0.0001s-1 时（c） -rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时消耗99%的组分A（即CA=0.01CA0）时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。进料的体积流量为10L/h。注意：FA=CAv。当体积流量恒定时，v=v0, 因此，FA=CAv0。故CA0=FA0/v0=（5 mol/h）/(10L/h)=0.5mol/L。解：（a）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：对PFR，组分的摩尔平衡方程为：摩尔流率与体积流率之间的关系：由于体积流率v恒定，故有：对零级不可逆反应，反应速率可写为：将rA代入方程得到：整理得：反应器入口的条件：当V=0 时 CA=CA0对上式子积分： 给出方程： 将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得：（b）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：根据（a）中PFR的求解方法，得出一级不可逆反应的V的表达式：将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：（c）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：根据（a）中PFR的求解方法，得出二级不可逆反应的V的表达式：将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：第二章（转化率和反应器尺寸）作业答案：在体积为2.5 m3的理想BR中进行液相反应：，反应温度维持在75，实验测定反应速率方程为：，求：（1）反应器中A的转化率达80%时所需的时间。（2）上述反应在PFR中进行，A的转化率达80%时所需反应器体积。（3）上述反应在CSTR中进行，A的转化率达80%时所需反应器体积。（4）上述反应在两个串联的PFR中进行，A的转化率分别为50和80%时所需反应器体积。（5）上述反应在两个串联的CSTR中进行，A的转化率分别为50和80%时所需反应器体积。解：由于A和B的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程中CACB，所以反应速率可表达为（1）由BR设计方程可得反应所需的时间为：（2）由CSTR的设计方程可得反应器的体积为：（3）由PFR的设计方程可得反应器的体积为：（4）由PFR的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：当转化率由50到80时所需反应器的体积为：（5）由CSTR的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：当转化率由50到80时所需反应器的体积为：第三章（速度定律和化学计量方程）作业答案：P3-12A（1）将作为计算的基准，建立等压等温流动系统中等摩尔和进料时下列反应的完整的化学计量表。（2）如果入口总压为16.4atm，入口温度为1727，计算的转化率为60%时氨和氢气的浓度。（3）如果将作为计算的基准，的转化率能达到60%吗？解：（1）以作为计算基准，化学反应式整理为：化学计量表为：组分符号初始量变化量剩余量ABC0T（2）由理想气体定律可得入口处A的浓度为：对于反应，入口处：FA0FB0，则yA00.5，所以由于压力和温度保持不变，（3）以作为计算基准，化学反应式整理为：，yA00.5，所以不能小于0，所以以作为计算基准，的转化率不能达到60%。第四章（等温反应器设计计算）作业答案：P4-12B在一个等温管式（活塞流）反应器中，发生不可逆气相基元反应。反应物A和稀释剂C以等摩尔比加入，并且A的转化率为80 %。如果A的摩尔进料流率减少一半，假设C的进料流率保持不变，那么A的转化率为多少？假设气体的理想性和反应器的温度保持不变。解：对于不可逆气相基元反应，整理为膨胀因子0.5-1-0.5对于二级反应，由课本P147公式（4-17）得：第一种情况下：因为，所以第二种情况下：因为，所以所以， （1）代入已知量，整理得到： （2）把式（1）/式（2），整理得：代入，试差得：0.76可见当A的摩尔进料流率减少一半，而C的进料流率保持不变，A的转化率为76。第五章（化学反应速率的数据收集与分析）作业答案：P5-3A 发生在间歇反应器中的不可逆异构化反应：，下表是浓度-时间数据，请确定反应级数和反应速率常数。t（min）035810121517.5浓度CA（mol/L）4.02.892.251.451.00.650.250.07解： （1）积分法零级一级二级根据表中各图都不成线性关系，所以反应级数不是：0、1、2。（2）微分法t（min）浓度（mol/L）dCA/dtlnCAln(-dCA/dt)04-0.3992 1.3863 -0.9183 32.89-0.3394 1.0613 -1.0807 52.25-0.2995 0.8109 -1.2057 81.45-0.2397 0.3716 -1.4286 101-0.1998 0.0000 -1.6106 120.65-0.1599 -0.4308 -1.8334 150.25-0.1000 -1.3863 -2.3022 17.50.07-0.0502 -2.6593 -2.9921 CA对t作图得：CA = 0.009972 t2 0.3992 t + 3.999dCA/dt =20.009972 t2 - 0.3992ln(-dCA/dt)对lnCA作图得：图中直线斜率约为0.5，所以反应级数为0.5。反应速率常数为：0.1983 (mol/ L)0.5 min.。第六章（复合反应）作业答案：1. 在一定的反应温度下A发生下述平行反应： 其中R是主产物，S是副产物。反应原料为纯的反应物A，其初始浓度为10 kmol/m3。（1）计算A的转化率为80%时的瞬时选择性。（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？解： （1）根据瞬时选择性的定义：当A的转化率为80%，CACA0（1-0.8）2 kmol/m3，（2）由于，所以在反应过程中，为了使S尽可能大，需要使A的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法：（a）采用CSTR反应器（b）加入惰性物质稀释进料（c）如果反应为气相反应，采用低压操作2. 在一个间歇反应器中进行连串一级不可逆等温反应：反应过程体积不变化，为主产物，为副产物。已知k11.0 h-1，k20.5 h-1，入口为纯进料，计算该连串反应所能达到的最优转化率和最优转化时间。解：对于一级连串反应，其最优转化率最优转化时间第七章（稳态非等温反应器计算）作业答案：P8-5A 不可逆有机液相基元反应：，在一个流动反应器中绝热进行。A和B在27时等摩尔进料，且体积流率为2 L/s。（1）计算达到85%转化率时必需的PFR和CSTR反应器体积。（2）完全转化时最高的入口温度为是多少时才不致于超过液体的沸点(550K)？附加信息： 解： （1）计算达到85%转化率时必需的CSTR反应器体积：能量衡算方程：在绝热操作和忽略搅拌功：，整理得：，所以，即：当，CSTR设计方程：速率方程： 联立得：（2）计算达到85%转化率时必需的PFR反应器体积：由能量方程得：按上述公式求取不同转化率下的温度和反应速率如下表所示：XTK-rA1/(-rA)03001.00E-021.00E-041.00E+040.13202.85E-022.31E-044.33E+030.23407.20E-024.61E-042.17E+030.33601.64E-018.03E-041.25E+030.43803.42E-011.23E-038.13E+020.54006.63E-011.66E-036.03E+020.64201.21E+001.93E-035.18E+020.74402.08E+001.87E-035.34E+020.84603.42E+001.37E-037.31E+020.854704.32E+009.71E-041.03E+03采用数值积分可求得所需的反应器体积：采用九点积分公式计算：采用两点积分公式计算：（3）由能量方程得：，所以所以，完全转化时最高的入口温度小于350K时才不致于超过液体的沸点。第八章（停留时间分布）作业答案：P13-11B 对液相反应器进行RTD分析，得到下列数据：时间（秒）0150175200225250275C103(g/dm3)00时间（秒）300325350375400450C103(g/dm3)5.00.20（a） 根据这些数据，作出E(t)曲线。（b） 反应器中200到300秒之间，流出物料所占的分率。（c） 作出F(t)曲线。（d） 反应器内250秒之前，流出物料所占的分率。（e） 平均停留时间是多少？（f） 作出E(t)作为时间的函数曲线。（g） 方差是多少？解：（a）由E(t)的定义可知，E(t)曲线可通过对C(t)曲线积分得到，积分值是相应C(t)曲线下的积分面积，此面积可通过附录A.4中的数值积分公式得到。由于C(t)与t的数据为非等间距，所以采用分段数值积分公式进行计算：对E(t)进行计算： 计算结果见下表：t(s)E(t)0015001750.0010 2000.0031 2250.0076 2500.0099 2750.0084 3000.0051 3250.0026 3500.0012 3750.0005 4000.0002 4500（b）反应器中200到300秒之间流出物料所占的分率为：（c）根据公式（13-12）计算不同时刻下F(t)，计算结果如下表。t(s)F(t)0015001750.01272000.06372250.19612500.42182750.65363000.82173250.91723500.96433750.98604000.99494501.0000（d）反应器内250秒之前流出物料所占的分率为：（e）根据方程（1314）计算平均停留时间： 求出tE(t)对时间t的关系，计算结果如下表：t(s)E(t)t E(t)000150001750.0010 0.1796 2000.0031 0.6154 2250.0076 1.7078 2500.0099 2.4873 2750.0084 2.3128 3000.0051 1.5384 3250.0026 0.8333 3500.0012 0.4309 3750.0005 0.1924 4000.0002 0.0820 45000采用分段数值积分公式进行计算：（f）E(t) 对时间t的关系如下表所示： t(s)E(t)E(t)000.00015000.0001750.0010 7.6772000.0031 11.6382250.0076 10.1122500.0099 1.3162750.0084 1.5333000.0051 7.6013250.0026 10.3393500.0012 9.6413750.0005 6.6094000.0002 3.93245000.000根据表中数据，可作出E(t)与时间的函数曲线。（g）方差可根据方程（13-23）算出： 采用分段数值积分公式进行计算： 第九章（非理想流动模型）作业答案：对液相反应器进行RTD分析，得到下列数据：时间（秒）0150175200225250275C103(g/dm3)00时间（秒）300325350375400450C103(g/dm3)5.00.20假设反应速率为0.0115s-1，分别采用离散模型、多釜串联模型和轴向扩散模型（封闭条件）计算反应器的转化率。解：由反应速率可知在液相反应器中进行的为一级反应。（1） 离散模型一级反应的转化率计算式为：反应器内完全离散的流体的转化率为：t(s)E(t)X(t)X(t)E(t)00 0 0.00E+001500 0.8218 0.00E+001750.0010 0.8663 8.83E-042000.0031 0.8997 2.75E-032250.0076 0.9248 6.97E-032500.0099 0.9436 9.33E-032750.0084 0.9577 8.00E-033000.0051 0.9683 4.93E-033250.0026 0.9762 2.49E-033500.0012 0.9821 1.20E-033750.0005 0.9866 5.03E-044000.0002 0.9899 2.02E-0445000.9943 0.00E+00采用完全离散模型时的转化率为94.5%。 （2）多釜串联模型计算串联反应釜的个数：对于n个反应釜串联的一级反应，转化率为：（3）轴向扩散模型根据方程（14-27）计算Pe 试差法求解得 Dak=(261.5s)(0.0115s-1)=3.00代入方程（14-40），得第十章（多孔催化剂的扩散和反应）作业答案：P12-4B 在不同温度、流速和颗粒尺寸时，在微分填充床反应器中发生反应：，结果见图P12-4。（1） 在什么条件下（dp、T、FTO）外扩散成为控制步骤？（2） 哪些区域为反应速率控制？（3） 哪些区域为内扩散控制？（4） 在T400，dp0.8cm时内扩散有效因子为多少？图P12-4解：（1） 在T400K，FTO 2500mol/s条件下外扩散成为控制步骤。（2） 在T300K，dp2500mol/s，dp2500mol/s，0.1cm dp 0.8cm区域为内扩散控制。（4） 在T400，dp0.8cm