完整版)化学反应工程习题

1、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+3H 2=2NH 3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。1 1 0.52、已知某化学计量式为 A B R S的反应，其反应速率表达式为 rA 2C0A.5CB ， 22试求反应速率 rB =？；若反应的化学计量式写成A 2B 2R S，则此时反应速率 rA=？为什么？3、某气相反应在 400 K 时的反应速率方程式为ddPA 3.61 102PA2kPa/h ，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为1 rAdnAkC2Amol/l.h ，该反AV

2、d应速率常数 k 的数值、单位如何？4、在 973oK 和 294.3103 Pa恒压下发生下列反应：C4H102C 2H4+H 2 。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 Pa /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） H 2 的摩尔数；（ 3）丁烷的摩尔分率。5、某溶液反应： A+B C，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

3、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 = RA + R = S已知原料组成为 CA0 = 2 kmol/m 3，CB0 = 4 kmol/m 3，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/m 3，CR = 1.5 kmol/m 3。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/m 3，CR0 = 0 。若该反应在一间歇 反应器中进行，且在反应温度下 xAe 0.

4、667 。经 480 s 后测得 xA 0.333 。（1）试确定此反应的动力学方程； （2）计算 x A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 H 2、4 mol C 2H4、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？

5、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33学方程式为 rA kPPA（m

6、ol /m .s） ，若反应在 P=101.3 10 Pa，T=546K 的条件下进行，反 应速度常数 kP=7.75 10-6 mol / m3.s. Pa，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

7、120l 的连续搅拌釜式反应器中进行如下液相反应：kA B k R S k 0.25l / mol.minrA kCACB含 A 为2.8 mol / l 的进料流与含 B为 1.6mol / l 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 k =0.0806min-1 ，转化率 达到 90%，求： （1）若为单釜操作时，所需反应器有

8、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 rA kC 2A（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 V 0=0.5 l / min ，在该温度下的反应速度常数

9、k=100 l / mol. min ，原料初始浓度 CA0=0.05 mol / l ，试求：（1） 若反应在 PFR中进行，有效容积 VR=1l 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 V R仍为 1l ，则反应所能达到的转化率为多少？218、有一等温二级不可逆液相反应，其动力学方程式为rA kC 2A，已知 293K 时反应速度常数 k为 10 m 3/kmol.h ，反应物 A 的初始浓度 CA0为 0.2 kmol/m 3，加料速率 V0为 2 m 3

10、/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 A R，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xAf 0.95 ，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

11、） 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。行。每个釜的有效体积为 两个釜在同一温度下操作。20、有一等温一级连串反应A k1 R k2 S ，在两个串联的理想连续釜式反应器中进2l ，加料速度为 1l / min ，反应物 A 的初始浓度 CA0=2 mol / l ，k 1=0.5 min -1， k2=0.25 min -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：A B k1 Rr1 k1C aA1CBr2k 2C aA2 C3

12、其中 a1 a2 。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 A k 3P ，其动力学方程式为 rA1 dnA V dtk nA ，试推导在恒容下以总 V压 P 表示的动力学方程式。1试证：（1） s （dv ）2da（2） s dsdvVp23（ 3） s 4.84VApAp2求下列颗粒的 dv

13、、da、ds、 s及床层的 de与 Se（1）直径 d =5mm的圆球、 =0.4;（2）直径 d =5mm、高 h=10mm的圆柱体、 =0.4;（3）直径 d =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 d =4mm、高 h=10mm的 圆柱体。试计算 dv 、 da、ds及 s。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/m 3，粘度 =3.18 10-5kg/m.s ，进料气体量 M=10.44kg/s, 使用粒径为 0.0047 0.0067m 的颗粒催

14、化剂，形状系数s =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， s 、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 0.0033 0.0047m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+H2C8H10C7H8+CH4已知：年生产时数为 8300h，原料

15、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）/ m 3.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 A k 3P ，其动力学方程式为 rA1 dnA V dtknA ，试推导在恒容下以总V7压 P 表示的动力学方程式。解：A k 3Pt=0 时 n A0 0t=时 n A 3nA0- n A)P0PA0nA0RTVnA 3(nA0 nA )RTV则：nA3n A0 RT PV2RTrA1 dnAVdd(3nA0RT PV )1 d( 2RT ) 1

16、 dPV d 2RT dk(3nA0RT PV) 2RTV 1 dP k即： rA1 dP k (3P0 P) (mol /l.s)2RT d 2RT dP或： rAk(3P0 P)d2RkT(3P0P)2、有如下平行反应：A B k1R（主反应）rRk1CACBCRA B k2S（副反应）rSk2CACB1） 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：SP rR k1 CRrS k2（ 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

17、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33方程式为 rA kPPA（mol /m3.s） ，若反应在 P=101.3 103Pa，T=546K 的条件下进行，反应-6速度常数 kP=7.75 10-6 mol / m3.s.Pa，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： A 1 ， yA0 1 ， PA0

18、 P 1 ，R 0.08206（l.atm/mol.K） 8.314（J /mol.K）F0FA0 V0C A0V0PA0yA0yA0yA0RTV0PRTV0RTF03432 10324 3600 0.08206 5460.1116(mol / s)VRkP0 (1 AyA0)ln0.11167.8510 4 1(11 xAfAyA0 xAf 1)ln1 0.8261 0.826 380(l )4VRd24 0.382(0.1)248.4(m)4、有一级不可逆反应 A R ，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xAf 0.95

19、，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= 2VR2R1CA0xA1CA0CA1V0kCA1kCA1k1 (CCAA01 1)kVR1V0CA0CA1同理可得：kVR2V0CA1CA22)1)( 2)有：(1kVVR01)2CA0CA2kVR1V0CCAA021VkV0R总2kVVR01 2( CCAA02V01)2( CA0(1CA00.95) 1) 77

20、V0 7 1.82 k 3.45 2a) 若采用 PFR 反应器，有：VR总3.7m3则： VRkVVR03V0ln 11 xAfln1 0.953 1.82 1.58m33.45k2b) 对 N 个容积相同的串联釜，则有：(1 kVVR01)NCA0C ANkVVR01 (CCAAN0 )kVR总V0N(kVR1) N(CCA0CANV01)NCA01 10( C A0 (1 0.95)1)10 1 3.531.84m33.5V0 3.5 1.82VR总0R总k 3.45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 A k1 R k2 S ，在两个串联

21、的理想连续釜式反应器中进行。每个釜的有效体积为 2l ，加料速度为 1l / min ，反应物 A 的初始浓度 CA0=2mol/l ，两个 釜在同一温度下操作。 k1=0.5 min -1，k2=0.25 min -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：t VVR0CA0xA1CA0xA1k1CA0 (1 xA1)xA1k1(1 xA1)2xA110.5(1xA1)xA10.5rA11 xA1xA1C A1 C A0 (1 xA1) 2(1 0.5)1(mol /l)CR1CS1CA0CA121115CS1 1 CR1rRrSk1CA1k2CR

22、1k2CR10.5 1 0.25CR10.25CR1CR11 CR10.5 0.25C R10.25CR1dCR dCSCR1CS10.25CR210.5(1CR1) 0. 25C R1 (1 CR1)C2CR12 2C2R1CR1CR1)CR12/30.67(mol /l)CS1 CA0 CA1CR12 1 2/31/30.33(mol /l)第二釜：VRCA0(xA22V0rA2xA1)CA0 (xA2xA1)xA2 0.5k1C A0 (1xA2 )0.5(1 xA2 )xA2 0.5xA2 0.75CA2 CA0(1 xA2) 2(1 3/4) 1/2 0.5(mol /l)CR2CS

23、2CA0CA2 2 0.5 1.5CR21.5 CS2rRdCRCR2CR1k1CA2 k2CR2 0.50.5 0.25CR2rSdCSCS2CS1k2CR20.25CR2CR20.670.250.25CR2 1 CR2CS2 0.33 0.25C R2CR2CR2 0.671CR2CR21.5CR20.33223.53.53.5 2CR2CR23(3CR2)(1CR2) 33.5CR2CR2CR2323.56.54.5 3.5CR2CR2CR23333 R2 33.5CR24.50.78(mol /l)CS2CA0CA2CR220.50.780.72(mol /l)6、在间歇反应中进行下列

24、液相反应AB?RAR?S原料混合物浓度为：CA0 2mol /LCB0 4mol/ LCR0 CS0 0B 和 S 的浓在反应时间为 t，得到 CA 0.3mol /L,CR 1.5mol / L ，（1）求此时组分 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 B和 S的浓度分别为 CB和CS列出物料衡算表如下：组分t=0t= t2.0CA 2 (4 CB) CS 0.34.0CBCR (4 CB) CS 1.5CS解得 2 (4 CB) CS 0.3CB 2.4mol /L2）转化率：3）选择性：收率：xACA0 CA 2 0.31.70.

25、85 85%2CA02CRCR01.5 01.5SR0.88CA0CA2 0.31.71.51.73YRSR xA0.75 75%1.724CS 0.1mol / L (4 CB) CS 1.5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：2rA kC A kmol/l.mink =1.97 l/kmol.min ，CA0 =0.004 kmol/l ，式中 rA 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

26、，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xAf0.8508 min 8.47hr因反应为二级反应，且 CA0 = CB0 ， 则可得k CA0(1 xAf ) 1.97 0.004 (1 0.8)（ 2）计算反应器所需容积 V 每小时己二酸的进料量 FA0 为 2400FA0=0.685kg.mol hr24 146式中 146 为己二酸分子量，每小时己二酸的体积流量V0 为V0=FA0CA00.6850.004171l hr故反应器的有效容积 VR 为VR=V0（t + t 0）=171（8.47+1）=1619 l=1.619m 3 反应器所需容

27、积 V 为VR1.6190.752.16m3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.minCA0=0.004kmol/l ,V 0=171 l/hr反应为二级反应 , 可得xAfkc A0 (1 xAf )0.81.97 0.004 (1 0.8)508 min 8.47hrV R=V 0 =171 8.47=1450 l=1.45m 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

28、留时间。 解 已知： A=0.8 , k =1.97kmol.minCA0=0.004kmol/l ,V 0=171 l/hr由式（ 2- 45）可得VR= V 0CA0 xA rA因为是二级反应故V R=V0CA0xA171 0.822 kCA20(1 xAf )221.97 60 0.004 (1 0.8)23=7234 l=7.234m3t VR7234V017142.3hr 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)

29、可得第一釜的容积 VR1为VR1V0x12kC A0 (1 x1)已知： V0=171 l/hr， CA0=0.004kmol/lk =1.97kmol.min ， 1=0.6将以上数值代入上式得VR1171 0.621.97 60 0.004 (1 0.6)21360l1.36m3第二釜的容积 V R2 为V0(x2 x1)171 (0.8 0.6)VR22R2 kCA0(1 x2)2 1.97 60 0.004 (1 0.8)=1810l 1.81m3故反应器的总体积为VR = V R1+V R2 =1.36+1.81 = 3.17 m 3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。2 2 2解 已知反应为二级反应，故 rA kCA2 1.97 60C 2A 118.2C 2ACA kmol/l0.0040.00350.0030.00250.0020.00150.001rA 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 rA 。结果见附表，将表 中数据绘成