华东理工大学化学反应工程原理习题

1-5 22462 2HCHOC HC H O 0 0 10% 1.6% 0.84 10% AA A A nn x n 4620 0 (7.65%0)/(1*) ()/ 0.635 ()/(10% 1.6)/(2*) C H O PP AAHCHO M nnp nnaM 0.534 A x 0.635循环操作 * total w mm n MM ，原料分离回收循环操作， 甲醛初始浓度10%（质量比），出反应器1.6%，丁炔二醇 初浓度0，出口浓度7.65%，求 , , A x 第1章 绪论 2-4间歇反应器：CA0和xA相同（T1=20时，反应时间 t1=8d；T2=120 时，反应时间t2=10min），试估算 Ea 11 0 1 (1)1 1 nn A A ktcx n ) 11 (ln 211 2 TTR E k ka 67.55/aEkJ mol 2 1 1 2 t t k k =k n AA rC 反应转化量 反应时间 反应区 第2章 化学反应动力学 2-5 C2H4二聚反应：(1) T=200，Ea=156.9 kJ/mol； C2H6二聚反应：(2) T=200，Ea=104.6 kJ/mol。为使反应 速率加倍，要提高多少温度？ 2 112 11 ln() a Ek kR TT 2 2 11 1 1 ln a T Rk TEk （1）CTTT o 4 . 812 CTTT o 7 .1212（2） 若使反应速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的温度愈小若使反应速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的温度愈小 2-6 反应温度上升反应温度上升10，反应速率加倍，反应速率加倍，Ea与与T之间的关系？ 之间的关系？ 当当T1(K)=300、400、600、800和和1000K时，求时，求Ea ) 11 (ln 211 2 TTR E k k 11 ln 2() 10 a E RTT 0.5763 (10) a ET T T（K）3004006008001000 Ea（kJ/mol）53.5994.51210.92373.43582.05 3-1 间歇反应器，间歇反应器，n=2，t1=5min时，转化率时，转化率xA=50%; 若要若要xA=75%，需增加多长时间？，需增加多长时间？ 0 1 A A A x c kt x 0112 1202 11 AAA AAA cktxx xxckt min152t 3 1 2 1 t t 2110 minttt 第3章 理想间歇反应器 3-2 n=1，等温，证明，等温，证明xA=99.9%时所需反应时间是时所需反应时间是xA=50% 时所需反应时间的时所需反应时间的10倍倍 1 ln 1 A kt x 0 exp() a E kk RT 等温时，k 一定 22 1 1 1 1 ln ln 1 19 9 .9 % 1 0 11 lnln 115 0 % A A tx t x 3-3 n=1/2，10 min后后xA=0.75, 30 min后转化率后转化率xA=? 11 22 0 2 1(1) AA Cktx 22 1 1 2 1 2 301 (1) 10 1 (1 0.75) A tx t xA2无解 假设xA=1时，时间为t3 33 1 1 11 22 11 22 1 (1)1 (1 1) 1 (1)1 (1 0.75) A A tx t x 3 20 m int 30 min后反应物A完全转化，完全转化，xA=100% 11 0 1 (1)1 1 A nn A Cktx n 3-4 间歇反应器，间歇反应器，cA0=1mol/L，t=8min后，后，xA=0.8； t=18min后，后，xA=0.9，求该反应的动力学关系？，求该反应的动力学关系？ 11 0 1 (1)1 1 A nn A cktx n 22 11 1 1 (1)1 (1)1 A A n n tx tx 1)8 . 01 ( 1)9 . 01 ( 8 18 1 1 n n 0 1 A A A x c kt x 0.5/(min)kLmol n=2 在间歇反应器中进行二级反应 ，反应速率为 当 分别为1，5，10 mol/L时，求反应到 =0.01 mol/L时， 所需反应时间。并对计算结果进行讨论。 3-8 AP 2 (-r )=0.01c/ AA mol s 0A c A c 0 11 AA kt cc 对于二级反应，若1/CA1/CA0 ， 反应时间t与反应物初始浓度无关。 1 9900ts 5 9980ts 10 9990ts 1 A kt c 生物化工中胰蛋白原转化成胰蛋白酶时， 在间歇反应实验中测得不同温度下反应速率于某时刻 达到最大值 3-10 A AS dc kc c dt MAX t 00 000 00 () C() () ATA TAP ATA CCC ktCCktIn CCC 3 000 0.65+0.05 ()= 0.35kmol/m 222 TAP Aopt CCC C 112 0.65(0.70.35) 293: 0.72.4=In, 0.35(0.70.65) KkkKk 同理求 2 112 11 ()65.94/ kE InEkJ mol kR TT 在间歇釜式反应器中进行液相反应 ，测得二级 反应速率常数： ，计算当 1和5时，转化率分别为0.5，0.9，0.99时所需的反 应时间，并对计算结果进行讨论。 3-12 ABP 2 0 61.5 10/(),0.307/ A Lmol hcmol L 00 / BA cc 22 00 00000 00 0 22 0 00 0.50.90.99 0 2 0 (1)()(1)()(1)()() 1 1 (1)(1) 5.31 ,47.7524.4 1 (1 A AAA BB AA BAABAAAAAAAA AA x A A AAAA xxx A A A cc rkc ckcxcc xkcxxkcxx cc xdx tc kcxkcx th th th dx tc kc 令 当时 ， 当时 0 0 0.50.90.99 ()1 )()(1)(1) 50.78 ,2.78 ,5.81 A AAA x A AAAA xxx x ln xxkcx th th th 当时 当C B0 /C A0 = 越大，达到相同转化率所需的时间越短； 当C B0 /C A0 不变时，随x A 的增大，所需t 增大，且 x A 越高，t 增加越快 在3-12题中，若 时，用拟一级反应方程式处理， 其计算结果与按二级反应处理相比较。 当cB0/cA0=5时，二级反应可做拟一级反应处理 。 3-1300 /5 BA cc 1 1 B A kkc k tln x 0.5 0.9 0.99 0.73 , 2.44 , 4.88 A A A x x x th th th 可逆一级液相反应 ，已知 。当 此反应在间歇反应器中进行时，经过8 min A的转化率是 33%，而此时平衡转化率为66.7 %。此反应的动力学方程 。 3-20 AP 00 0.5/,0 AP cmol L c 1 2 0.667 2.003 11 0.667 Ae Ae xk K kx AAe Ae AeA AeA xx x CC CC tkk lnln)( 0 21 *例3-8（p27）化学反应工程原理例题与习题 0 ()0.05770.0288() AAAA rccc 可逆反应 ，已知 。已知210oC 时， 求在该温度下所能达到的最大转化率为多 少？若要使 ，则需采取何种措施？ 3-21 AP ()130959/HJ mol 12 0.2,0.5kk 。 0.9 A x 1 2 0.2 0.286 10.5 Ae Ae Ae xk Kx kx 1 212 11 ln() KH KRTT 若要使xA=0.9，可以降温或者移除产物。 2 441TK 有一简单反应，原料A，产物P，实验测得下列数据，已知 试求平衡转化率和反应速率常数 3-22 00 1.89/,0 AP cmol Lc。 时间01803004201440 A转化量00.200.330.431.051.58 0 0 1 2 12 1.58 0.836 1.89 1 ()ln AAe Ae A Ae Ae Ae AeA cc x c xk K kx x kk t xx 代入数据，求平均值 41 1 41 2 =6.37 10 =1.25 10 ks ks 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应： A和B的初浓度均为2kmol/m3,P为目的产物，试计算反应 为2h的A的转化率和产物P的收率。 3-23* 3 23 P2/() 20.5/() pA RA ABrc kmolm h ARrckmolm h 1 2 2 ()2 ()2 ApA ARA rrc rrc 2 2 A AA dc cc dt 0.0184 A c 0 0 (2+) 0.5 (2+) AA AA cc tln cc 0 0 0 2 0.0184 0.9908 2 21 0.5 1 0.5 1/21 2/2 22/20.684 1/21 0.0184/2 PA A A cc PAA AAP c PA A PPP A x dcdcdc ccdc dtdcc c cInclnc c ，又 有一平行反应串联液相反应： 在间歇反应器中，开始时溶液中含有A的浓度 及过量的B，得到如下数据： 试问: 的比值为多少？间歇反应器中P的最大浓度为多少？并求此时A 的转化率 3-26* 1 11 2 22 AB Bp ABPrk c c BPRrk c c 3 0 0.1/ A ckmol m 时间时间TcAcP t10.0550.038 t20.010.042 21 /kk 1 12 111122 10 1 0 21 (); () ABp k t AA k tk t pA rk ckk crk c ttcc e k ccee kk 其中同理 时， 2 1 0.52 k k 2 21 1 21 1 1 1/0.52 1 2 3 0 1 2 1 ()()0.492 0.52 0.0492/; 1 ()0.744 k kk MAX p MAXAMAX k kk A k k cckmol m k x k 丙烷热裂化为乙烯的反应 ，反应在 772oC等温条件下进行，其反应动力学方程式为 式中k=0.4h-1，若采用理想管式反应器，p=0.1MPa,进料流 量 ，当转化率 =0.5时，求所需反应器的体积 4-438244 C HC HCH () AA rkc 0 800 /L h A x 3 0 00 3 2 1 1; 1 11.51/; 1 (1) (1), =1.773 A R AA AA R P PcRTcmol m RT V lnxx Fkc Vm 又PV=nRT 根据 第4章 理想管式反应器 四氟乙烯是制造聚四氟乙烯所用的担体，可将一氯二氟甲烷进行热分解得到 若在0.10133 MPa，700 oC等温条件下，用直径为100 mm的管式反应器进行分 解纯的一氯二氟甲烷，其流量为0.4 kmol/min ，试计算分解率为0.8时所需的 管长。已知反应为一级，700 oC时的反应速率常数k=0.97s-1 4-5 22 4 22CHClFCFHCl 3 0 0 3 00 2 122 0.5; 2 12.525/; 0.4/ min6.67/ ; 1 (1)(1)=1.1058; 140.8 (/ 2) A A R AAR AA R P PcRTcmol m RT Fkmolmol s V InxxVm Fkc V Lm d 又PV=nRT 根据 在一活塞流反应器中进行下列反应： 反应均为一级，已知 。A的最大进料量为3 , 且不含P与S。试计算P的最大收率和总选择性以及达到最大收率时所需反应器 的体积 4-15 12 kk APS 11 12 0.30min ,0.10minkk 3 /mh 2 21 21 0.1 1 0.1 0.3 2 1 /1 1 . 2 . 33 21 0 21 3 0 0.3 ()()0.577; 0.1 (1)0.8075; 0.7145; (/) 3/0.05/ min5.49min; 0.2745 k kk MAX kk A opt MAX A opt opt Ropt k k k x k x ln kk mhm kk Vm 又t t 4-23* 常压法生产稀硝酸时，离开快速冷却器的气体组成是：NO为9%， NO2为1%， O2为8%，其余均为N2等惰性气体（摩尔分率）。此气体浸入氧化塔。在 0.10133MPa，20的等温条件下进行氧化反应： 反应终点要求NO2 : NO=5，已知入塔气体流量为10000m3/h，氧化塔中反应体 积可用下式计算： 式中：VR反应器体积，m3； G气体质量流量，kg/s； y单位质量气体的NO2摩尔量 ； k反应速率常数1.4104 m3/(kmol s)(20)。 试求反应器体积是多少？ 22 22NOONO 2 1 2 2 y R y NOO dy VG kcc 考虑1kmol气体进入反应器，并设在反应器某一位置生成的NO2为x kmol，得： 组分组分 进口处进口处 kmol某一位置某一位置 kmol NO 0.090.09-x NO2 0.010.01+x O20.080.08-0.5x N2 0.820.82 total1.001.00-0.5x 该位置处体积流量 3 (1.000.5 ) 0.082 () nRTxT vm PP 3 0 (0.09) (/) (1.000.5 ) 0.082 NO A nxP ckmol m vxT 2 3 (0.080.5 ) (/) (1.000.5 ) 0.082 O xP ckmol m xT 在出口处要求NO2 : NO=5，则： 0.01 0.09 f f x x 1 0yyx 2 0.0733 f yyxx 0.0733 f x 2 1 2 333 0.0733 232 0 (1.000.5 )0.082 (0.09)(0.080.5 ) y R y NOO dyGxT VGdx kccMkPxx 10000 0.1156(/ ) 3600 (27320) 0.082 M GMkg s 3 0.0733 2 0 (1.000.5 ) 11.47 (0.09)(0.080.5 ) R x Vdx xx 图解积分，或数值积分 3 110 R Vm 2 )( A Akcr 5-2 液相反应，反应速率： ， CSTR中， 1 01 0 2 02 00 1 1 2 21 2 2 (1) 6 (1) A AA A AA R RR Vx vkcx VVx vkcx xA=0.5，若CSTR体积扩大6倍，其他条件不变，此时xA=? 75. 02Ax 第5章 连续流动釜式反应器 00 22 00 ()(1) AAAAA AAAA ccccxV vrkckcx 5-3 一级反应，150等温PFR中xA=0.6；若用同样大小CSTR，处理量不 变，要使xA=0.7，问此时CSTR该在什么温度下操作？（Ea=83.7 kJ/mol) 11 0 2 0 1 2 2 2 1 :ln 1 : 1 R A RA A V PFR kk vx Vx CSTR kk vx 2 2 2 1 1 1 1 ln 1 A A A x k x k x ) 11 (ln 211 2 TTR E k ka KT4402 反应器体积不变，处理量不变，则 不变 5-5一级反应，Ea=83.7 kJ/mol，反应温度150，PFR中进行时， 其体积为Vp，改用CSTR，其体积为VM，说明Vp/VM表达式。 若xA为0.6和0.9，为使VM与Vp相同，则CSTR应在什么温度下 进行？ 2 1121 2 12 22 111 ln(1)ln 11 (1) A PAA A MA A x Vkxkx x Vkx kx 1 2 2 11 0 22 0 1 :ln 1 : 1 A A A P M V PFR kk vx Vx CSTR kk vx Vp=VM 2 12 1 11 ln() akE kRTT ) 11 ( 1 1 ln)1 ( ln 21 1 2 2 TTR E x x xa A A A T2=468K 5-8 某液相反应实验测得浓度反应速率数据如下： 0 0 () AAf R A cc V vr cA(mol/L)0.10.20.40.60.81.01.21.41.6 (-rA)mol/(Lmin)0.625122.51.51.250.80.70.65 CSTR，cA0=2 mol/L，当出口浓度cAf为0.6 mol/L,0.8 mol/L, 1 mol/L时，0=120 L/min，求所需VR？并讨论计算结果 01 0 (1)67.2 () AAf R A cc VvL r 02 0 (2)96 () AAf R A cc VvL r 03 0 (3)96 () AAf R A cc VvL r 类似于自催化反应类似于自催化反应 5-9 一级反应，VR=300 L，cA0=3.2 kmol/m3，k=0.08 s-1 ， xA=98.9%，求 反应物A的处理量。 （1）间歇操作，辅助时间15min； （2) 反应器为CSTR，将结果与（1）比较； （3）A的浓度增加一倍，其他条件不变，结果如何？ 1 11 ln1 A t kx 0 0 18.82/min R V vL tt 0(1) RA A Vx kx 0 (1) 16.02/min RA A V kx vL x 由于返混的影响，若要获得相同的由于返混的影响，若要获得相同的 转化率，转化率，CSTR的平均停留时间较大，的平均停留时间较大， 生产能力较小。生产能力较小。 由（1）、（2）可见，v0与反应物的初始浓度无关，所以A的 浓度增加一倍，结果不变 （1） （2） （3） 2 )( A Akcr 5-12 体积为VR的反应器中进行液相等温反应，反应速率: 1 1 0 2 : (1) Af Af A x CSTR ck x （1）CSTR，xAf=0.5，改为同体积PFR，此时xAf=? （2） CSTR，xAf=0.5，若反应器增大10倍，此时xAf=? （3）若反应为零级，求（1)、（2）的计算结果。 （4）若反应为一级，求（1)、（2）的计算结果。 667. 02Afx 2 2 0 : 1 Af Af A x PFR c k x （1） k、不变 2 2 0 2 0 10 : (1) Af Af R A Vx CSTR ck x 8 . 02Afx（2） 1 0 : Af A cx CSTR k 5 . 02Afx 2 0 : Af A cx PFR k （3） 2 0 0 10 :Af R A V CSTR kcx 52Afx （4） n=0 由于1 Afx12Afx n=1 20.632Afx 21 1 ln: Afx kPFR 2 20 10 : 1 Af Af RVx CSTR k x 20.909Afx 1 1 1 : Af Af x x kCSTR k、不变 k、不变 5-16* 循环流动反应器，自催化反应， cA0=1 mol/L，k=1 L/(mols)，进料流率v=1 L/s，循环比分别为3， 0， ，求xA=0.98的反应器体积。 )1 ()()( 2 0 00AA A AAAxxkccckcrA )1 ( )1 (1 ln ) 1( )1 ( ) 1( )( ) 1( 2 0 2 0 ) 1 () 1 ( 0 Af Af A Af Af AA A A Af Af A A xR xR kc R x x xxkc dx R x x r dx R F V R R R R A 1.06 4ln11.4 0.06 VL当R=3时 APPP R=0，即平推流反应器情况 98. 0 0 0 0 0 )1 ()1 ( 2 0 2 0 AA A AA A xx dx kc F x xxkc dx FV A A Af A A 由于进料中没有产物，该反应无法启动，所以V= 。 当R= 时，即连续流动釜式反应器的情况 L xxkc x FV AfAf A Af A50 02. 098. 0 98. 0 1 )1 ( 2 0 0 *例5-4（p118） 化学反应工程原理 5-20 证明：两釜串联中进行一级反应，一定转化率下，两釜 体积相同，则其总体积为最小。 00 11 211 22 10 1 0 0 2 0 1(1) 1(1) AA AA AA AA Vcc kV ckc Vcc kV ck c ) 1() 1( 2 1 1 00 21 A A A A c c c c k VVV 转化率一定，则cA0/cA2为定值 c c c A A 2 0 设 ) 1() 1() 1( 2 0 1 0000 1 A A A A c c k c kc c k V ) 1() 1() 1( 2 0 0 0 2 1000 2 A A A A A A c c k c c c c kc c k V 将上式对cA1求导，可得 01 10 0 122 AA AA cc V VVc k cc c c c A A 0 1 c c c A A 2 0 将 代入上式，可得： ) 0 2 1 0 1 0 A A A Ac c c c kdc dV 当且仅当 ，反应器体积最小 21VV 此时 1 0 A dV dc 第6章 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 31 2 0 1 21 1/,(), 2(/)min AAA cmol Lrkc kmol L 6-6 固相反应 ，测得停留时间分布 如图6-4：已知： ， 求xA? AP 2 1 2 11 2 00 00 0 ()101 ( )10.50.167 10.833 AAA A rkcctt cc f t dttdt cc c x c 02t (min) 0.5 ( ) ( /min) f t L 1 0.02mink 6-7 CSTR，液固相反应，产物为固相，反应为一级，已知 ， 固体颗粒平均停留时间为100/min，求： （1）平均转化率； （2）若转化率低于30%为不合格，试估计不合格产品所占百分率； （3）若改用2个等体积CSTR串联（总体积不变），估算不合格产品百分率。 0 1 :0.333 1 c CSTR ck （1） 17.83 100 11 ()ln 1 0.3,17.83min 110.163 AA A A t t rkct kx xt F tee （2） 0 10.667 A c x c 1 17.83 50 1 100 50min 2 17.83 11115.03% 50 t t t t F tee t （3） 3 1(1) A t x 6-8今有硫铁矿焙烧反应，已知该反应为动力学 控制， t为反应时间， 全部反应所需时间 。 设反应过程中气相组成不变，离子停留时间 分布如图6-5，求平均转化率xA? 1h 01.0t (h) 1.0 ( ) (1/ ) f t h 333 0 11 3 00 00 0 1(1)(1)(1) ( )(1)0.25 10.75 A A A A A A ctt xt c cc f t dttdt cc c x c 第7章 化学反应过程的优化 () AAP rkc c 7-3 自催化反应 ，其反应速率方程为 ，进料A的初 浓度 ，要求达到最终转化率为0.99。为使 反应器体积最小，拟用一个CSTR和一个PFR组合。进料流量 ，速 率常数 ，问应如何组合两个反应器？中间转化率？反 应器总体积？ APPP 33 00 0.99/,0.01/ AP cmol m cmol m 3 10/vmh 43 4.2 10/ ()kmmol s 自催化反应：CSTR+PFR 0 0.5/ min() 2 T AA c cmolr时，有最大 00 3 1000 00 12.96 ()(1)() AAfAAf A R AAPAPAA cccc x Vvvvm rkc ckxcc x 0.495 A x CSTR: PFR： maxmax 00 30000max 2 00max 1 ln30.46 ()(1)1 AA AA cc AAAA R cc ATAAAAA vvvccdcdc Vm kccckcckcc 3 12 43.42 RRR VVVm 0maxmaxfAAAA cccc由到和由到是对称的 7-6 已知分解反应为： 25 ： 求：（1）该温度下，为使产物P收率最大，应选用什么反应器？ （2）所选反应器中，cP,max？ 2 0000 1.531.5=2mol/L0 PSATAAPST rrcrccccc，若， P S T A 1 2 3 22 0 0 2 max 0 max 1.51 = 1.531.5 1 1 0 5 =2/ P AAA A AA PfAA A Pf P A AfA PfAAfP r rcc c cc ccc c dc c dc cc ccccmol L 当时，可得，解得 ，故舍去 又是一个单调递减函数，根据曲线关系，当0时，有 平行反应，主反应级数低，CSTR （1） （2） () AAB rkc c 7-7 有一液相反应 ，其反应速率方程为 现有CSTR和PFR各一个，体积均为0.7 m3，试问以下三个方案中， 哪个最好？为什么？ （1）CSTR后串联PFR； （2）PFR后串联CSTR； （3）CSTR和PFR并联。 ABPS 3 0 20/ (min)2/,20/ min A kLmolcmol m vL已知：，等摩尔反应， （1） （2） 2 () AA rkc 等摩尔反应：12 0 0.7 =35min 0.020 R V v 01 1 2 1 = AA A cc kc 先CSTR： 3 1 1.12/ A cmol m 再PFR： 112 1 1 Af AA c cc k 3 0.628/ Af cmol m 先PFR： 3 1 0.833/ A cmol m 再CSTR： 3 0.590/ Af cmol m 0.686 A x 1 01 1 1 A AAo c cc k 12 2 2 2 = AA A cc kc 0.705 A x （3） CSTR与PFR并联 1.120.833 0.976 2 Af c 0.512 A x 第二个方案较好。 7-9 一级不可逆反应： 。已知： ， 反应系统进料体积流量为0.142 m3/min，进料组成为， 对于产物P 的最大收率，下列反应器中哪个比较优？请说明原因。 （1）单个CSTR，体积为 ； （2）两个CSTR串联，每个体积为0.142 m3； （3）两个CSTR并联，每个体积为0.142 m3； （4）单个PFR，体积为0.284 m3。 12 kk APS 11 12 0.15min ,0.05minkk 000 ,0 AAPS cccc 3 0.284 R Vm （1） （2） 0 0.284 2min 0.142 R V v 12 0 0 10 1 1 0.142 1min 0.142 0.870 1 R A AA V v c cc k 0 1 1 10 1 12 1 0.124 (1)(1) A PA c k cc kk 对第二个CSTR中物料P做物料衡算： 010212222PPApR v cv ck ck cV 0 1 0 12 0.21 (1)(1) A PA c k cc kk 1122 20 22 0.226 1 PA PA ck c cc k 两个CSTR并联，同（1） （4） （3） 0 0.21 PA cc 0 0.284 2min 0.142 R V v 12 1 00 21 ()0.246 kk PAA k cceec kk 单个PFR 7-26 对平行反应 其中P为目的产物，在等温操作中证明： （1）采用CSTR，