《化学反应工程》(第四版)课后习题答案详解

1、习题习题3-1解答解答习题习题3-1解答解答解：根据CSTR基本方程AxAAArdxct00)(，ccAB时当1/00220)1 ()(AAAxkcr)1 (1)1 ()1 (1)1 (00200201AAAxAAAxAAAxxkcxxdkcxkcdxtAA，xA时当5 . 0)(30. 5) 5 . 01 (5 . 0307. 0615. 011ht，xA时当9 . 0)(70.47)9 . 01 (9 . 0307. 0615. 011ht，xA时当99. 0)(70.524)99. 01 (99. 0307. 0615. 011ht，ccAB时当5/00)5)(1 ()(20AAAAxx

2、kcr)1 (55ln41)5()1 (41)5)(1 (10000002AAAxAAxAAAxAAAAxxkcxdxxdxkcxxdxkctAAA，xA时当5 . 0)(78. 0)5 . 01 (55 . 05ln307. 0615. 0412ht，xA时当9 . 0)(79. 2)9 . 01 (59 . 05ln307. 0615. 0412ht，xA时当99. 0)(81. 5)99. 01 (599. 05ln307. 0615. 0412ht分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长；若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。习题习题3-2解答解答26 . 5AB

3、AACCkCrLmolCCBA/02. 000;DCB：A已知)1 (0AfAAfxkCx：t根据);/(min6 . 5molLk(min)64.169)95. 01 (02. 06 . 595. 02133t：mVR时和当(反应时间与反应体积无关）习题习题3-3解答解答（1）PFR)1 (1lnAfpxk（2）CSTR)1 (AfcAfcxxk解：（1）（2）操作条件不变，等体积反应器，则303. 2)9 . 01 (1ln)1 (1ln)1 (AfpAfcAfcxxxk697. 0303. 3303. 2Afcx习题习题3-4解答解答平推流平推流;11ln111Axk22221AAxxk

4、全混流全混流;21RTEekk/0122/0/01211ln/112AAARTERTExxxekekkk6 . 011ln/7 . 017 . 0ln100068.83314. 8142312T;9347. 0100068.83314. 8142312TKT4412习题习题3-5解答解答;/5 . 10 . 3210LmolCALmolCB/0 . 10 . 2210; 000RPCC; 8 . 0Bfx;533. 05 . 18 . 00 . 100ABfBAfCxCx; 7 . 0)533. 01 (5 . 1AC; 2 . 0)8 . 01 (1BC; 8 . 08 . 00 . 10B

5、fBRPxCCC;)(00fAAfARrxCVVAfARPBARxCCCCCVV00)7 . 18(min/004. 0533. 05 . 1)8 . 08 . 07 . 12 . 07 . 08(1 . 00LVmin/2004. 05 . 0200201mLVVV习题习题3-6解答解答：已知;2AAkCr min)/(4 .17molmlk;/75. 0mlgmin;/14. 70LV ;/14. 70LmolCA解：（1）串联两个体积0.25m3的CSTR试求下列方案的转化率。min351014. 725. 0)(32212021100AAAAAAARkCxxCkCxCVV35. 410

6、14. 7104 .173535)1 ()1 (3602212211AAAAAAkCxxxxx; 035. 47 . 935. 4211AAxx62. 01Ax35. 4)1 (62. 0222AAxx035. 47 . 997. 4222AAxx80. 02Ax（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFRmin351014. 725. 032202110021AAxxAAAAAARkCdxCkCxCVV;35. 4)1 ()1 (2122211AAxxAAAAxdxxx62. 01Ax;35. 4)1 (262. 022AxAAxdx;35. 462. 011112Ax;9

7、8. 6112Ax86. 098. 6112Ax（3）一个0.25m3的PFR ，后接一个0.25m3的CSTR351014. 725. 0)(321120021001AAAAxAAARkCxxCkCdxCVVA35. 4)1 ()()1 (22120211AAAxAAxxxxdxA;35. 41)1 (11Ax81. 035. 5111Ax;35. 4)1 ()81. 0(222AAxx035. 47 . 916. 5222AAxx88. 02Ax（4）两个0.25m3的PFR 串联min351014. 725. 0322002100211AAAxxAAAxAAARkCdxCkCdxCVV3

8、5. 4)1 ()1 (21121021AAAxxAAxAAxdxxdx35. 41111111121AAAxxx;35. 41111Ax;35. 5111Ax;35. 435. 5112Ax90. 07 . 9112Ax;81. 01Ax习题习题3-7讲解讲解3-73-7已知：AP;PAACkCr );/(1032skmolmksmV/002. 030;/230mkmolCA00PC，xA时问98. 0下列各种情况下的反应体积。解：（1）单个PFRAxAAARrdxCVV000根据AAxAAAAxAAAAAAxxdxkCxCxkCdxC000000)1(1)1(sxxkCxdxkxdxkcV

9、VAAAxAAxAAARAA2 .389201.0892.32)1 (ln22)1 (298.05 .005 .05 .000原原积积分分可可改改写写为为的的对对称称函函数数是是关关于于被被积积函函数数;5 .0)1 (1)(:AAAxxxxf30778.02 .389002.0mVVR（2）单个CSTRAAfARrxCVV00根据)(2500)98. 01 (201. 01)1 ()1 (00000sxCCxkCxCVVAfAAAfAAfAR)(5002. 02500250030mVVR（3）两个CSTR串联21201100)(AAAAAAARrxxCrxCVV根据1m2m202012010

10、1010)1 ()()1 (AAAAAAAAAAAAAxCxkCxxCxCxkCxC;)1 ()()1 (122121AAAAAxxxxx85. 01Ax98. 02Ax)85. 01 (201. 01)1 (11001AARxkCVV)(67. 0002. 033.33333.333301mVVR)(34. 167. 02231mVVRR98. 0)98. 01 (201. 0)85. 098. 0()1 ()(2201202AAAAARxxkCxxVV);(63.33102sVVR)(66. 063.331002. 032mVR习题习题3-8讲解讲解3-83-8已知：RAACkCkr21;

11、32*Ax;31Afx?21Afx使如何调节加料速率，AR解：当反应达到平衡转化率时021RAACkCkr23/213/21)1 ()1 (*0*0021AAAAAAAARxxxCxCCCCkk;21313231212101kkkkVVR2121021212121kkkkVVRAfAfAfAfAAfAAfARAAfAfAAfARxkxkxxCkxCkxCCkCkxCrxCVV210201021000)1 ()1 ()(3114121/21/2212121210102kkkkkkkkVV010231VV加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化率达到0.5。习题习题3-9讲解讲解3-93-9已知：A

12、L2AMAACkr11)(异构反应212)(AACkr二聚反应进料浓度为CA0。试证明在PFR中，L最大收率为012)1ln(ACkk，式中证明：AfAPxSrrYmaxmaxmax)(SdCCkkkdCCkCkCkdCrrCACCAACCAAAACCALLfAAfAAfAfA0002112211对于PFR：AALfAfACCACCCCCsdCSAfA000。，CCLA值最大时显然当0;00AfACCACCsdCSAfA00002110000000maxmax11AAACAAACAAAAfAAfACAAfdCCkkkCsdCCCCCCCsdCxSY00AAfAAfCCCx)1ln(111ln1

13、ln1)(012102102121021max0AACAAACkkkCkkCkkCkkdCkkYA证毕。习题习题3-103-10解答解答已知：AB+1LMB+2LBACCkr11BLCCkr2230/1 . 0mkmolCAB大量过量，?) 1 (12kk?:)2(max,LCBSTR?) 3(Ax【分析与解答】结果为：解：（1）由于是间歇反应器，所以;111ABACkCCkr液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。LBLCkCCkr2222121)()(12LLAAccLLccAArdcrdctt2121048. 0007. 0201.

14、0055. 0112925. 1705. 1007. 0048. 0ln101. 0055. 0ln1kkkkckdcckdcttLLAA129. 1705. 1925. 11212kkkk?:)2(max,LCBSTR122)(:210max,kkkALkkcC根根据据0346. 0346. 01 . 0)129. 11(1 . 0)/1 (1129. 1129. 11/120max,1212kkkkALkkcC?)3(Ax;00AAAAcccx;10tkAAecc;/ln1212kkkktopt390.01.0)1129.1129.1lnexp(1.0)1/ln(0)/ln(0121212

15、121kkkkAkkkkkAAececc61. 01 . 0039. 01 . 000AAAAcccx习题习题3-11解答解答解：22)1 (1211AAANMLLALcccrrrrrrs，c，Af时只有当由此可以看出0有最大值Lc对于CSTR：;)1 (102AfALfAfccccsS20)1 (AfAfALfcccc020max,)01 (0AALccc对于PFR：由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：22)1 (1211AAANMLLALcccrrrrrrsAfALAfAccAAAfAccAcccccdccccsdcSAAfAfA002000)1 (

16、1021111)1 (10AAfccAALccdcccAAf，c，Af时只有当由此可以看出0有最大值Lc000max,111011AAALcccc证毕。习题习题3-12解答解答在平推流反应器中进行基元反应ALMNk1k2k3L为目的产物，已知 ，求L的最大收率及最优接触时间。312kkk解：AfALxSccY0max,max根据同11题一样，求L的最大浓度。AAAAAckckkckckdtdc23131)(312kkktkAAecc20LtkALALckeckckckdtdc201212又又数学知识：一阶非齐次线性微分方程：)()(xqyxpdxdy的通解为)()()(cdxexqeydxxp

17、dxxp)(22201cdteeckectktkAtkL则该反应的最佳时间为：CL存在极大值的必要条件是：0dtdcL)()(010122ctckecdtckecAtkAtkL0; 0,0cctL时时当当,201tkALteckc2/1 ktoptCL的最大浓度为：ekckekckcAkkAL201/201max,221212102010max,max/3679. 0/kkekkcekckccYAAAL习题习题3-13解答解答：已知;103mVRCSTR;/530mkmolCA;/01. 030smV ;/8503mkg);/(201. 2kgkJcp;/20000)(kmolkJHR113)

18、,/12000exp(10sTk,2901K：T 原料进口温度,3002KT ,3103KT 求定状的反应温度和转化率。解：根据QR和QC方程确定定态点)1/()(0kkCVHQARRR);)(00TTcVKFQpC)/12000exp(101)/12000exp(10)/12000exp(1010001)/12000exp(105102000016181313TTTTQR);(100001. 0100sVVR)(0 绝热KF465.5425709.18)290(201. 285001. 01TTQC550.5612709.18)300(201. 285001. 02TTQC635.57997

19、09.18)310(201. 285001. 03TTQC0.000200.000400.000600.000800.0001000.0001200.0001400.0001600.000123456789935.45分别作TQR、QC1QC2、QC3曲线，有5个交点，其中是稳态操作点2个，分别为Q1=187.09,和Q2=935.45;对应温度分别为: T1=310K T2=345K187.0945.935550.5612709.182T09.187550.5612709.181TKT310709.18550.561209.1871KT345709.18550.561245.9352)(10

20、544. 1)310/12000exp(1014131sk)(00784. 0)345/12000exp(101132sk)(1000)1 (000sxkCxCVVAfAAfAR)(1000)1 (10544. 1141sxxAfAf144. 01544. 11544. 01Afx)(1000)1 (00784. 022sxxAfAf887. 084. 884. 72Afx3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？1245610117398151312141617181920212223242526272829130有序无序130物料粒子从出口流出状况 先流入的物料粒子 不一定先流出 同时

21、流入的物料粒 子不一定同时流出 物料粒子在反应器 内的停留时间各不 相同反应器内的混合不同停留时间的物料粒子间 的混合，称之为返混。停留时间物料粒子从反应进口算起，到出口为止所耗费的时间； 物料粒子的标签，以区别物料在反应器内反应时间的不同；描述物料粒子在反应器内返混程度强 弱的一个参量。思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子 越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述物料粒子： 反应物料的最小构成单元； 认识反应物料的一种概念模型； 既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒； 等同于流体质点假说； 其大小与原子、分子相比，是一个很大 的集合体，但与宏

22、观颗粒相比，是一个 微不足道的微小单元。第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述流动模型流动模型1、理想置换活塞流模型2、理想混合全混流模型同一截面上组成、温度、流速、密度等均匀一致。不存在任何“返混”现象AcAfc反应器内均匀一致，浓度、温度等参数与出口浓度相等。达到最大程度的“返混”第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述理想流动反应器：物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器称为理想流动反应器。间间 歇歇 反应反应 器器活塞流反应器活塞流反应器全混流反应器全混流反应器无返混，物料粒子同进同出。无返混，物料粒子同进同出。无返混，物料粒子同进同出。无返混，物料粒子同进同出。返混

23、程度极大，不同停留时返混程度极大，不同停留时 间的物料粒子混合均匀。间的物料粒子混合均匀。（BSTRBSTR）（PFRPFR）（CSTRCSTR）连续流动反应器第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述没有混合（BSTRBSTR）（PFRPFR）（CSTRCSTR）（平推流反应器）（平推流反应器）间间 歇歇 反应反应 器器活塞流反应器活塞流反应器全混流反应器全混流反应器第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述思考题：试比较混合与返混的区别。混合返混*不同外观特征的个体混和在一起的过程*不同停留时间的个体混和在一起的过程*仅仅是空间位置的搅混过程*不仅是空间位置的搅混过程，而且是时间顺

24、序的搅混（BSTRBSTR）有混合无返混第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述 偏离平推流的情况漩涡运动：涡漩涡运动：涡流、湍动、碰流、湍动、碰撞填料撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填沟流、短路：填料或催化剂装填料或催化剂装填不均匀不均匀第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述 偏离全混流的情况死角死角短路短路搅拌造成搅拌造成的再循环的再循环第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述 流动状况对化学反应的影响 - 由物料粒子的停留时间不同所造成由物料粒子的停留时间不同所造成短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循

25、环停留时间停留时间过长过长A+BPA+BP：有效反应体积减少：有效反应体积减少A+BPS A+BPS 产物产物P P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均第一节第一节 理想流动模型概述理想流动模型概述反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式反应动力学特性反应动力学特性+ +反应器的流动特征反应器的流动特征+ +传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件最大反应效果最大反应效果+ +反应器的操作稳定性进口物料的配反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积规定任务规定任务+

26、 +反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程物料衡算方程某组分流入量某组分流入量= =某组分流出量某组分流出量+ +某组分反应消耗量某组分反应消耗量+ +某组分累积量某组分累积量流入流入流出流出反应器反应器积累积累反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程热量衡算方程带入的热焓带入的热焓= =带出的热焓带出的热焓+ +反应热反应热+ +热量的累积热量的累积+ +传给环境的热量传给环境的热量带入带入带出带出传给环境传给环境反应器累积反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有

27、时为了简化计算，常采用估算法。例题讲解例题讲解请考虑化学反应请考虑化学反应CBAD催化剂该反应在全混流反应器中进行，反应温度为该反应在全混流反应器中进行，反应温度为2020，液料，液料的体积流量为的体积流量为0.5m0.5m3 3/h, C/h, CA0A0=96.5mol/m=96.5mol/m3 3, C, CB0B0=184mol/m3,=184mol/m3,催化剂的浓度催化剂的浓度C CD D=6.63mol/m=6.63mol/m3 3。实验测得该反应的速度方。实验测得该反应的速度方程为：程为： r rA A=kC=kCA AC CD D式中式中k=1.15k=1.15* *1010

28、-3-3m m3 3/(mol.ks)/(mol.ks)。若要求。若要求A A的转化率为的转化率为40%40%，试求反应器的体积。试求反应器的体积。解：设解：设A A的转化率为的转化率为x x，则有：，则有：DAACxkCr)1 (0对于全混流反应器，应有：对于全混流反应器，应有：DDAAAACxkxCxkCxCrxxC)1 ()1 ()(0000hks28.244 .87)63. 6)(4 . 01)(1015. 1 (40. 033014.1228.245 . 0mVVR3-7 3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较比较基准相同的反应，（一级不可逆反应

29、）相同的反应，（一级不可逆反应）相同进料流量和浓度相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率相同温度和最终反应率相同体积相同体积比较参量（比什么）不同组合方式下的出口浓度iiAiAkCC11,全混流ikiAiAeCC1,平推流mi10,AC0V1 ,AC1, iACiAC,1,mACmAC,对于 i 级iAiAiAiACCAACCiAAiRikCdCrdCVV,1,1,0,1,ln1iAiAiCCkikiAiAeCC1,kCkCCAAaAf21100,并(a) CSTRCSTR并联物料处理量V0均分到每个CSTR，则021VV并22/0VVVVRR并并结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CST

30、R并联组合生产，残余浓度低，转化率提高。分母增大残余浓度低停留时间延长20,)1 (kCCAbAf(b) CSTRCSTR串联iiAiAkCC11,10,1 ,1kCCAA21 ,2,1kCCCAAfA)(021VVR结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR串联组合生产，残余浓度比(a)更低，转化率比(a)更高。keCCkAcAf10,(c) PFRCSTR串联ikiAiAeCC1,iiAiAkCC11,10 ,1 ,kAAeCC21 ,2,1kCCAA结论：完成相同生产任务，若用 PFR-CSTR串联组合生产，残余浓度比(b)更低，转化率比(b)更高。1kekeCCkAdAf10,(d) CSTR PFR串联ikiAiAeCC1,iiAiAkCC11,10,1 ,1kCCAA21 ,2 ,kAAeCC结论：完成相同生产任务，若用 CSTR - PFR串联组合生产，残余浓度和转化率同 等效。)2exp(021,kCCCCAAAeAf(e) PFR PFR并联ikiAiAeCC1,10 ,1 ,kAAeCC20 ,2 ,kAAeCC22021VVR结论：完成相同生产任务，若用两台同体积PFR并联组合生产，出口浓度低，转化率较高。2121020,kCeCCAkAgAf(g) PFR CSTR并联ikiAiAeCC1,iiAiAkCC11,10 ,1 ,kAA