化学反应工课后答案.docx
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化学反应工课后答案
第一章习题
1化学反应式与化学计量方程有何异同?
化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?
答：
化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。
2何谓基元反应?
基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?
何谓非基元反应?
非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?
答：
如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。
基元反应符合质量作用定律。
基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。
基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。
一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。
非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。
非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。
3若将反应速率写成，有什么条件?
答：
化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。
4为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器?
答：
在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。
5现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。
（1）A+2B↔C
A+C↔D
（2）A+2B↔C
B+C↔D
C+D→E
（3）2A+2B↔C
A+C↔D
解
（1）
（2）
（3）
6气相基元反应A+2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc=2.65×104m6kmol-2s-1。
现以气相分压来表示速率方程，即（−rA）=kPpApB2，求kP=?
（假定气体为理想气体）
解
7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
8反应A（g）+B（l）→C（l）气相反应物A被B的水溶液吸收，吸收后A与B生成C。
反应动力学方程为：
−rA=kcAcB。
由于反应物B在水中的浓度远大于A，在反应过程中可视为不变，而反应物A溶解于水的速率极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。
试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成量。
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
9反应，在恒容下用等摩尔H2，NO进行实验，测得以下数据
总压/MPa
0.0272
0.0326
0.0381
0.0435
0.0543
半衰期/s
265
186
135
104
67
求此反应的级数。
解
Y=A+B*X
Parameter
Value
Error
A
1.60217
0.01399
B
-1.9946
0.00834
10考虑反应，其动力学方程为试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。
解
11A和B在水溶液中进行反应，在25℃下测得下列数据，试确定该反应反应级数和反应速度常数。
时间/s
116.8
319.8
490.2
913.8
1188
∞
cA/kmol·m-3
99.0
90.6
83.0
70.6
65.3
42.4
cB/kmol·m-3
56.6
48.2
40.6
28.2
22.9
0
解
由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B→产物进行
设为二级反应
积分得：
以对t作图若为直线，则假设正确。
由cA0-cB0=42.4整理得数据如下：
t
116.8
319.8
490.2
913.8
1188
0.0132
0.0149
0.0169
0.0216
0.0247
线性回归：
Y=A+B*X
Parameter
Value
Error
A
0.01166
1.84643E-4
B
1.08978E-5
2.55927E-7
12丁烷在700℃，总压为0.3MPa的条件下热分解反应：
C4H10→2C2H4+H2
（A）（R）（S）
起始时丁烷为116kg，当转化率为50%时，求此时。
解
13某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmol·m-3时，反应到某一浓度需要285s，初始浓度为1kmol·m-3时，反应到同一浓度需要283s，那么，从初始浓度为5kmol·m-3反应到1kmol·m-3需要多长时间？
解
t=285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。
反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。
14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
15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
16在100℃下，纯A在恒容间歇反应器中发生下列气相反应:
2A→R+S
A组分分压与时间关系见下表:
t/sec
0
20
40
60
80
100
120
140
160
pA/MPa
0.1
0.096
0.080
0.056
0.032
0.018
0.008
0.004
0.002
试求在100℃，0.1MPa下，进口物流中包含20%惰性物，A组份流量为100mol·hr-1，达到95%转化率所需的平推流反应器的体积。
解
17间歇操作的液相反应A→R，反应速率测定结果列于下表。
欲使反应物浓度由cA0=1.3kmol·m-3降到0.3kmol·m-3需多少时间?
cA/kmol·m-3
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1.0
1.3
2.0
（−rA）/kmol·m-3min-1
0.1
0.3
0.5
0.6
0.5
0.25
0.10
0.06
0.05
0.045
0.042
解
图解积分
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1.0
1.3
2.0
10
3.33
2.0
1.67
2.0
4.0
10
16.7
20.0
22.2
23.8
18一气相分解反应在常压间歇反应器中进行，在400K和500K温度下，其反应速率均可表达为−rA=23pA2mol·m-3s-1，式中pA的单位为kPa。
求该反应的活化能。
解
19有如下化学反应
CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4
（I）（A）（B）（P）（I）
在反应前各组分的摩尔数分别为nI0=1mol；nA0=2mol；nB0=3mol；nP0=0，求化学膨胀率（用两种方法）。
解
方法一
方法二
20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
21液相一级不可逆分解反应A→B+C于常温下在一个2m3全混流反应器（CSTR，MFR，连续搅拌槽式反应器）中等温进行。
进口反应物浓度为1kmol·m-3，体积流量为1m3hr-1，出口转化率为80%。
因后续工段设备故障，出口物流中断。
操作人员为此紧急停止反应器进料。
半小时后故障排除，生产恢复。
试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少？
解
22第17题中的反应，
（1）当cA0=1.2kmol·m-3，进料速率1kmolA·hr-1，转化率为75％；
（2）cA0=1.3kmol·m-3，进料速率2kmolA·hr-1，出口为0.3kmol·m-3；（3）cA0=2.4kmol·m-3，出口仍然为0.3kmol·m-3，进料速率为1kmolA·hr-1。
计算三种情况下，用全混流反应器的体积各为多少?
解
23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
平推流
（1）全混流
（2）
24在全混流反应器中进行如下等温液相反应：
2A→B＋C
rc=k1cA2
A＋B→2D
rD=2k2cAcB
A的初始浓度为2.5kmol·m-3，A和C的出口浓度分别为0.45和0.75kmol·m-3。
假设进口物流中不含B、C、D，反应时间为1250sec，求：
1.出口物流中B和D的浓度；
2.k1和k2。
解
第二章习题
1.动力学方程的实验测定时，有采用循环反应器的，为什么?
答：
循环反应器行为与全混流反应器相同，可以得到反应速率的点数据，而且反应器进出口浓度差比较大，对分析精度要求不很高。
2.为什么可逆吸热反应宜选平推流反应器且在高温下操作，而可逆放热反应却不是?
根据可逆放热反应的特点，试问选用何种类型反应器适宜?
为什么?
答：
可逆吸热反应的反应速率与化学平衡都随温度的升高而升高，高温下操作对二者都有利。
可逆放热反应的化学平衡随温度的升高向反应物方向移动，对达到高转化率不利。
对此类反应，可选用多段绝热反应器或换热条件较好的管式反应器。
3.一级反应A→P，在一体积为VP的平推流反应器中进行，已知进料温度为150℃，活化能为84kJ·mol-1，如改用全混流反应器，其所需体积设为Vm，则Vm/Vp应有何关系?
当转化率为0.6时，如果使Vm=Vp，反应温度应如何变化?
如反应级数分别为n=2，1/2，−1时，全混流反应器的体积将怎样改变？
解：
4.在体积VR=0.12m3的全混流反应器中，进行反应，式中k1=7m3kmol-1min-1，k2=3m3kmol-1min-1，两种物料以等体积加入反应器中，一种含2.8kmolA·m-3，另一种含1.6kmolA·m-3。
设系统密度不变，当B的转化率为75％时，求每种物料的流量。
解
5.可逆一级液相反应，已知；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min后，A的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力
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