化学反应工程练习题解答.docx
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化学反应工程练习题解答
第一章习题
1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
2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
3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
4在555K及0.3MPa下，在平推流管式反应器中进行气相反应A→P，已知进料中含A30%（摩尔分数），其余为惰性物料，加料流量为6.3mol·s-1，动力学方程式为−rA=0.27cAmol·m-3s-1为了达到95％转化率，试求：
（1）所需空速为多少?
（2）反应器容积大小?
解
5反应A+B→R+S，已知VR=0.001m3，物料进料速率V0=0.5×10-3m3min-1，cA0=cB0=5mol·m3，动力学方程式为−rA=kcAcB，其中k=100m3kmol-1min-1。
求：
（1）反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少？
（2）欲用全混流反应器得到相同的出口转化率，反应器体积应多大?
（3）若全混流反应器体积VR=0.001m3，可达到的转化率为多少?
已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA饱和=0.02kmol·m-3，水溶液流量为10m3hr-1。
解
（1）平推流
（2）全混流
（3）VR=0.001m3时可达到的转化率
第二章习题
1.平行液相反应
A→PrP=1
A→RrR=2cA
A→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?
（1）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
2.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
1．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/min
0
10
20
30
40
50
60
70
80
c/kg·m-3
0
3
6
5
4
3
2
1
0
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/min
c/kg·m-3
∑c
F（t）
E（t）
t·c
t2c
0
0
0
0
0
0
0
10
3
3
0.125
0.0125
30
300
20
6
9
0.3750
0.0250
120
2400
30
5
14
0.5833
0.0208
150
4500
40
4
18
0.75
0.0167
160
6400
50
3
21
0.875
0.0125
150
7500
60
2
23
0.9583
0.0083
120
7200
70
1
24
1.0
0.0042
70
4900
80
0
24
1.0
0
0
0
∑
24
80
33200
2．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
3．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/min
c/kg·m-3
∑c
F（t）
0
0
0
0
0
10
3
3
0.125
0.11890.07582
20
6
9
0.375
0.22620.09197
30
5
14
0.5833
0.17930.04649
40
4
18
0.75
0.13650.02256
50
3
21
0.875
0.09740.01026
60
2
23
0.9583
0.06170.00415
70
1
24
1.0
0.02940.00126
80
0
24
1.0
0
∑
24
0.2525
（2）多级混合槽模型：
（3）PFR模型：
（4）CSTR模型：
4．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
5．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。
（1）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）
（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）
（3）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
1、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）
2、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：
（1）分别写出a，c为控制步骤的均匀吸附动力学方程；
（2）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
（3）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
1.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
2.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
3.什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
1.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
2.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
3.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
1.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≈1
uT=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
2.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2uT=Fu，Re<10，F≈1
uT=0.4811mּs-1
计算床层空隙率
当1计算浓相段高度
估算稀相段高度
3.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
4.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
1.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
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