化学反应工程练习题解答

PAGE34PAGE1第一章习题有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80％，经过18min后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。解在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在100℃下进行。A转化率达50％需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。混合物密度为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。解反应(CH3CO)2O+H2O→2CH3COOH在间歇反应器中15℃下进行。已知一次加入反应物料50kg，其中(CH3CO)2O的浓度为216mol·m-3，物料密度为1050kg·m-3。反应为拟一级反应，速率常数为k=5.708×107exp(−E/RT)min-1，E=49.82kJ·mol-1。求xA=0.8时，在等温操作下的反应时间。解在555K及0.3MPa下，在平推流管式反应器中进行气相反应A→P，已知第二章习题平行液相反应A→PrP=1A→RrR=2cAA→SrS=cA2已知cA0=2kmol·m-3，cAf=0.2kmol·m-3，求下列反应器中，cP最大为多少?平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)两相同体积的全混流反应器串联，cA1=1kmol·m-3。解自催化反应A+P→2P的速率方程为：−rA=kcAcP，k=lm3kmol-1min-1，原料组成为含A13%，含P1%（摩尔百分数），且cA0+cP0=lkmol·m-3，出口流中cP=0.9kmol·m-3，计算采用下列各种反应器时的空间时间(τ=VR/V0)。(1)平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)平推流与全混流反应器的最佳组合；(4)全混流反应器与一分离器的最佳组合。解

第三章习题有一有效容积VR=1m3，送入液体的流量为1.8m3hr-1的反应器，现用脉冲示踪法测得其出口液体中示踪剂质量浓度变化关系为：t/min01020304050607080c/kg·m-3036543210求其停留时间分布规律，即F(t)，E(t)，，解示踪法求停留时间分布规律t/minc/kg·m-3∑cF(t)E(t)t·ct2c000000010330.1250.01253030020690.37500.02501202400305140.58330.02081504500404180.750.01671606400503210.8750.01251507500602230.95830.00831207200701241.00.0042704900800241.0000∑248033200请将习题一中停留时间分布规律用对比时间θ作变量，求F(θ)，E(θ)，，。解在习题一的反应器中进行A→D反应，已知cA0=25mol·m-3，动力学方程为−rA=0.05cAmol·m-3min-1，请分别用：(1)凝集流模型；(2)多级混合槽模型；(3)平推流模型；(4)全混流模型。计算出口物料中A组分的转化率。解（1）凝集流模型t/minc/kg·m-3∑cF(t)0000010330.1250.11890.0758220690.3750.22620.09197305140.58330.17930.04649404180.750.13650.02256503210.8750.09740.01026602230.95830.06170.00415701241.00.02940.00126800241.00∑240.2525(2)多级混合槽模型：(3)PFR模型：(4)CSTR模型：用题一的条件，采用轴向扩散模型，计算其Pe值与出口物料中A组分的转化率。解设E(θ)、F(θ)分别为某流动反应器的停留时间分布密度函数和停留时间分布函数，θ为对比时间。若反应器为PFR，试求：(a)F(1)，(b)E(1)，(c)F(0.8)，(d)E(0.8)，(e)E(1.2)若反应器为CSTR，试求：(a)F(1)，(b)E(1)，(c)F(0.8)，(d)E(0.8)，(e)E(1.2)若反应器为一非理想流动反应器，试求(a)F(∞)，(b)F(0)，(c)E(∞)，(d)，(e)解(1)对PFR，F(1)=1，E(1)=∞，F(0.8)=0，E(0.8)=0，E(1.2)=0(2)(3)第四章习题乙炔与氯化氢在HgCl2活性炭催化剂上合成氯乙烯：其动力学方程式可有如下几种形式：(1)(2)(3)(4)试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。解：（1）（2）（3）（4）丁烯在某催化剂上制丁二烯的总反应为：若反应按下列步骤进行：分别写出a，c为控制步骤的均匀吸附动力学方程；写出b为控制步骤的均匀吸附动力学方程，若反应物和产物的吸附都很弱，问此时对丁烯是几级反应。解：（1）：a控制步骤时（1）对b：令则(2)对c：令则(3)由(3)代入(2)得：由得（2）c控制步骤时由a，令，则由b由得b为控制步骤：当吸附很弱时，则对丁二烯是一级反应。第五章习题异丙苯在催化剂上脱烷基生成苯，如催化剂为球形，密度为ρP=1.06kg·m-3，空隙率εP=0.52，比表面积为Sg=350m2g-1，求在500℃和101.33kPa，异丙苯在微孔中的有效扩散系数，设催化剂的曲折因子τ=3，异丙苯−苯的分子扩散系数DAB=0.155cm2s-1。解在硅铝催化剂球上，粗柴油催化裂解反应可认为是一级反应，在630℃时，该反应的速率常数为k=6.01s-1，有效扩散系数为De=7.82╳10-4cm2s-1。，试求颗粒直径为3mm和1mm时的催化剂的效率因子。解什么是宏观反应速率的定义式？什么是宏观反应速率的计算式？两者有何异同？答定义式计算式−RA=η(−rAS)两者都反映了宏观反应速率与本征反应速率之间的关系。颗粒内实际反应速率受颗粒内浓度、温度分布影响，用定义式是难于计算的。计算式将过程概括为颗粒表面反应速率与效率因子的关系，而效率因子通过颗粒内扩散及浓度、温度分布的规律是可以计算的，从而得到总体颗粒的宏观速率。

第六章习题在一总长为4m的填充床中，气体以2500kg·m-2hr-1的质量流率通过床层。床层体安装直径为3mm的球形催化剂颗粒，空隙率为0.45，气体密度为2.9kg·m-3，其粘度为1.8╳10-5kg·m-1s-1。求床层的压降。解Ergun方程在铝催化剂上进行乙腈的合成反应C2H2+NH3→CH3CN+H2+92.14kJ(A)(B)(R)(S)设原料气的体积比为C2H2:NH3:H2=1:2.2:1。采用三段绝热式反应器，段间间接冷却，使各段出口温度均为550℃，每段入口温度也相同，其反应动力学方程可近似表示为：流体的平均热容CP=128J·mol-1K-1。若要求乙腈的转化率为92%，且日产乙腈20吨，求各段的催化剂量。解AADMNCB①②Tx在T−x图上，①为平衡曲线，②为最佳温度曲线，AMN为等转化率曲线，指出最大速率点和最小速率点。BCD为等温线，指出最大速率点和最小速率点。答在AMN线上，M为最大速率点，N为最小速率点在BCD线上，C为最大速率点，D为最小速率点第七章习题在流化床反应器中，催化剂的平均粒径为51╳10-6m，颗粒密度ρP=2500kg·m-3，静床空隙率为0.5，起始流化时床层空隙率为0.6，反应气体的密度为1kg·m-3，粘度为4╳10-2mPa·s。试求：（1）．初始流化速度（2）．逸出速度（3）．操作气速解（1）计算初始流化速度设Re小于2，（2）计算逸出速度uT=Fu，Re<10，F≈1uT=0.08856mּs-1（3）估算操作气速操作气速=(0.5-0.6)uT，取0.5，操作气速=0.5uT=0.044mּs-1在一直径为2m，静床高为0.2m的流化床中，以操作气速u=0.3m·s-1的空气进行流态化操作，已知数据如下：dp=80╳10-6m，ρP=2200kg·m-3，ρ=2kg·m-3，μ=1.90╳10-2mPa·s，εmf=0.5求床层的浓相段高度及稀相段高度。解计算逸出速度设2<Re<500，uT=Fu，Re<10，F≈1uT=0.4811mּs-1计算床层空隙率当1<Re<200时，计算浓相段高度估算稀相段高度在2题中如果要求出口气体中关键组分转化率为xAf=0.98，催化剂用量应取多少？解在2题中如果将操作气速由u=0.12m·s-1提高到0.2m·s-1，出口气体中关键组分转化率是多少？床层高度有何变化？解床层高度的变化出口气体转化率的变化由于u的变化引起参数变化为

第八章习题用纯水吸收CO、O2等气体中少量的NH3，已知在操作温度(10℃)下NH3的亨利系数HA=1.01kPa·L·mol-1；CO2，O2亨利系数HA=1.01╳105kPa·L·mol-1。试求假定NH3，CO，O2在水中即液相中传质系数相等，且kAG=4.05╳10-3mol·cm·kPa-1L-1s-1；kAL=0.01cm·s-1。气膜和液膜阻力各为多少？应采用哪种形式的速率式？采用化学吸收是否都可用？为什么？解对NH3气膜和液膜阻力总阻力：347.9气膜246.9，占71%液膜101占29%对CO，O2气膜和液膜阻力总阻力：10100247气膜247，占0.244%液膜1.01×107占99.76%对易溶气体，气膜阻力为主，化学吸收增强不显著。对难溶气体，液膜阻力为主，化学吸收增强显著。在半间歇鼓泡塔中进行苯氯化生产一氯化苯的反应：Cl2(G)+C6H6(L)→C6H5Cl+HCl(A)(B)(R)为了控制副反应，确定苯的最终转化率为0.45。某装置年生产能力为8万吨一氯化苯（每年以7000小时计）。反应生成一氯化苯的选择性SR=0.95。在操作条件下，已知DAL=7.57╳10-9m2s-1；cAI=1.03kmol·m-3；