朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解.docx
《朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解
rA
k（PAPBPSPR/K）
（1bAPAbSPS）2（1bBPBbRPR）
试写出反应机理及控制步骤，并证明之。
〖解〗
A212A11
2
B2B2
2A11B2S1R121（控制步骤）22
S1S1
2R12R22
2
k（PAPBPSPRK）
rA2
A（1bAPAbSPS）2（1bRPRbBPB）
k1
5、丁烯在某催化剂上制取丁二烯的总反应方程式为C4H8C4H6H2，假设丁烯脱氢化学反应按如下步
k2
骤进行：
（a）C4H8C4H8AA
（b）ABC
（c）BB
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若，问此时反应对丁烯是几级反应。
解〗
AbAPAV，BbBPBV
rAk1Ak2BPC
V1
V1bAPAbBPB
所以此时对丁烯是一级反应。
6、用直径为6毫米的球形催化剂进行一级不可逆反应A→R+P,气相中Ａ的摩尔分数yA＝0.50，操作压力Ｐ
＝0.10133MPa，反应温度Ｔ＝500℃，已知单位体积床层的反应速度常数为0.333s-1，床层空隙率为0.5,组分A在颗粒内的有效扩散系数为0.00296cm2/s,外扩散传质系数为40m／h，计算：
（1）催化剂内扩散效率因子，其影响是否严重。
（2）催化剂外表面浓度CAS，并说明外扩散影响是否严重
（3）计算传质速度。
（4）
〖解〗
rAgSekgCAgCASkCAS
rAgkCAS0.51870.3330.00720.00124kmolm3s
-538、某气－固相一级不可逆催化反应，已知反应温度为350℃，在该温度下反应速度为1.15×10-5[mol／cm3.s]，
颗粒外表面A组分的浓度为1.1×10-5[mol／cm3]，Ａ的分子量为128，催化剂颗粒为球形，直径为0.18cm，颗粒密度为ρp=1.0ｇ／cm3，孔隙率θ＝0.48，比表面Sｇ＝468m2/ｇ，曲节因子δ＝2.9,若分子扩散可不考虑，试求催化剂的内扩散效率因子。
〖解〗
9700rT97002.05107350273.15
M128
DCDK4.39103cms
DeffDC0.484.391037.26104cm2seffC2.9
0.623
111111
th331.138th31.13831.138
9、石油炼制过程中，常需要用空气进行催化剂的烧焦反应，使催化剂再生,反应可视为一级不可逆反应,已知
烧焦反应于780℃,1.0133×105Pa下进行，球形颗粒直径为４毫米，催化剂时本征反应速度ｒA＝0.42[mol／
m3.s]，反应热为198000J／mol,有效扩散系数为4.75×10-7m2／s，有效导热系数为0.366[W／m.k]，试求颗粒内最大温差及内扩散效率因子。
5107cm2/s。
试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。
Deff7.04104cm2s，采用直径与高均为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。
解〗
12、异丙苯在某催化剂上裂解生成苯，如催化剂为微球状，已知ρP＝1.06g／cm3,颗粒孔隙率θ＝0.52,Sg＝
350m2／g，求在500℃，１atm，异丙苯在催化剂微孔中的有效扩散系数。
异丙苯的分子量为120，微孔的曲
节因子δ＝３，异丙苯—苯的分子扩散系数为0.155cm2／s。
球型催化剂颗粒直径为0.5cm，550℃时该反应
的速率常数k=0.25s-1，试求此催化剂的内扩散效率因子。
〖解〗
第三章釜式及均相管式反应器
1、以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol的A
和4.96kmol的B，已知反应速率rA1.045CA2kmolm3h，试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时
CH3COOHC4H9OHCH3COOC4H9H2O
解：
加入物料的体积
tCA0
xAdxA
CA0nA011.79kmolm3
A0V0.559
dxA
kCA01xA
kCA01xA
2、生化工程中酶反应A+P→P+P为自催化反应，反应速率式为－rAkCACP，某温度下k=1.512m3kmolmin，原料中含有A0.99kmol/m3，含P为0.01kmol/m3，要求A的出口浓度达到CAf=0.01kmol/m3，该反应器的处理能力为V0＝10m3/h时，试求：
（1）反应速率达到最大时A的浓度；
（2）采用CSTR反应器时的体积；（3）采用PFR反应器时的体积。
解：
（1）rAkCACRkCACR0CRkCACR0CA0CA
为使反应速度最大，应有：
drA0
dCA
即：
kCR0kCA02kCAm0
（3）平推流反应器体积：
10ln
1.51260
0.010.991.013m3
0.990.01
3、由醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，化学反应为：
个全混流反应器串联，已知：
xA10.324，xA20.5，（3）用一个平推流反应器。
进料的平均分子量：
M0.1675600.83257471.655
NA07350.16751.7181kmolh1718.1molh
（1）
全混流反应器：
（2）
全混流反应器串联：
VRVR1VR2409.3411.2820.5l
（3）
平推流反应器：
-2
4、在间歇反应器中进行液相反应Ａ＋Ｂ→Ｐ，测得此二级反应的反应速度常数为k＝61.5×10-2[l／mol.h]，
CA0＝0.307[mol／l]，计算当CB0／CA0＝1，转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间，并对计算结果加以讨论。
解：
C
t0.5
1xA
10.5
t0.9
t0.99
kCA01xA
1xA
kCA01xA
kC
A0
xA
1xA
0.6150.30710.5
10.9
0.6150.30710.9
10.99
0.6150.30710.99
5.296h
47.668h
524.35h
0.02mol/l，反应速度常
5、在等温间歇反应器中进行皂化反应：
CH3COOC2H5＋NaOH→CH3COONa＋C2H5OH该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为数为k=5.6[l/min.mol],要求最终转化率为0.95，试求所需的反应时间。
解：
tCA00xAdxA
CA0
dxAkCA01xA
xA
kCA01
0.95169.6min
5.60.0210.95
6、在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？
解：
平推流反应器：
0.90，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器
11112.303lnln
k1xAk10.9k
全混流反应器：
CA0xA
t
rA
CA0xA
kCA01
xA
k1xA
xA2.303
k1xAk
xA0.6972
7、在150℃等温平推流反应器中进行一级不可逆反应，出口转化率为0.60，现改用等体积的全混流反应器操
作，料液流率及初浓度不变，要求转化率达到0.70，问此时全混流反应器应在什么温度下操作，已知反应活
化能为83.68[kJ／mol]。
〖解〗平推流反应器：
VRV0CA0kCdx1AxVk0ln11xVk0ln110.60Vk00.916
k1CA01xAk11xAk110.60k1
全混流反应器：
VRV0CA0xAV00.7V02.333
k2CA01xAk210.7k2
8368083680
k22.547k1，e8.314T4.707e8.314423.15
T440.5K，t167.35℃
8、在全混流反应器中进行如下液相可逆反应：
k1
ABPR
k2
在120℃时，反应速率rArB8CACB1.7CPCRmolminl，反应器的体积为100mL，两股进料流同
时等流量进入反应器，一股含A3.0moll，另一股含B2.0moll，当B的转化率为
80％时，每股料液流
量为多少。
〖解〗
11
CA031.5moll;CB021moll
22
CB01xB110.80.2moll;
CA0CB0xB1.510.80.7moll
CSCB0xB10.80.8moll
CB
CA
CR
rB80.70.21.70.80.80.032kmolm3min
VRV0CB0xBV010.8100mlR0.032
rBV04mlminVAVB2mlmin
V0=0.002m3／s，进
9、液相自催化反应Ａ→Ｐ，反应速度
，k=10-2[m3／kmol.s]，进料体积流率
（1）单个平推流反应
料浓度CA0＝2[kmol／m3]，CP0＝0，问当XA＝0.98时，下列各种情况下的反应器体积。
器；
（2）单个全混流反应器；（3）两个等体积全混流反应器串联。
解〗
rAkCACRkCA01xACA0xA
（1）
dxA
0.98
VRV0CA00kCA201xAxA
V0lnxA|00.98
kCA01xA
（2）
VR
V0CA0xA
0.0020.98
kCA201xAxA0.01210.980.98
5m3
（3）
VR1
V0CA0xA1
kCA01xA1xA1
VR2
V0CA0xA2xA1
kCA01xA2xA2
xA1
0.85
0.0020.85
0.01210.850.850.667m
3
VRVR1VR20.6670.66781.334m3
12。
xAe23，反应器出口实际转化率xAf13，问如何调节加料速率，可使反应转化率达
解〗平衡时
k1CA0
2
13k2CA03
k12k2
V021
V013
第四章反应器中的混合及对反应的影响二、计算题1、用脉冲法测得某反应器出口示踪物的浓度如下：
ｔ（s）0120240360480
600720
840
960
C（t）06.51212
10
已知该反应器内进行一级不可逆反应，
5
反应速度常数
k＝3.24×10-3s-1，试用多级串联全混流模型计算转化率
xA。
解：
tm
tCt
018720
0374.4s
50
Ct
或：
tm
tEt3.12146
0tEt3.12146374.3s
Et0.00834
0
t2
t2Ct
0
Ct
tm2
8539200374.4230608.6s2
50
1424.0322
374.3230608.6s2
Ct0.00834
0
2
t230608.6
tm2
m
2
374.42
0.218
1m2
20.218
4.59
xAm11km
4.59
3374.4
13.24103
4.59
0.659
2、有一理想的釜式搅拌器，已知反应器体积为100升，流量为10L/min，
时间分别为0～1min，2～10min和大于30min的物料所占的分数。
解：
对示踪剂作物料衡算（dt时间）：
示踪剂进入量＝示踪剂流出量+示踪剂累积量
试估计离开反应器的物料中，停留
V0C0dtV0CtdtVRdCt
C0Ct
VRdCt
dCC0t11Ct
dttm1C0
ln
1
C0
1Ct
ttmA
当t0时，反应器出口处Ct0，则有A0
1t
1Cttm
C0
1
F11e100.095
F30e10e100.05
3、用脉冲法测得停留时间分布数据如下：
t（s）04896144192240288336384
c（t）0000.1510840试计算平均停留时间，如在反应器中进行一级反应Ａ→Ｒ，和PFR，其平均停留时间相同，则反应结果分别为多少。
〖解〗
432
0
k＝0.0075s-1，求平均转化率。
如分别采用CSTR
tC（t）t
0tC（t）t7022.448259.1s
27.148
C（t）t
0
xA1
CCA01
ektCtt
04.11648
0110.15190.8481
27.148
Ctt27.148
0
平推流反应器：
VRV0CA0
dxA
V0ln1
k1CA01xAk11xA
t1ln
k1
1
1xA
全混流反应器：
tCA0xA1xA
kCA01xAk1xA
kt
xA
0.0075259.1
0.6602
kt
1kt10.0075259.1
4、用脉冲示综法测得实验反应器的停留时间分布关系如下表所示，t（s）123456810152030415267
c（t）957819090867767473215731
今有一液相反应A＋B→P，已知CA0<（1）该反应器的平均停留时间及方差；
（2）若实验反应器以多釜串联模型描述，可达到的转化率为多少？
第六章气－液反应工程二、计算题
kOH104m3kmols，液膜传质系数kAL104ms，问化学反应是否在液流主体中进行。
解：
COH1014109105kmolm3
k1kOHCOH1041050.1s1
所以反应主要在液流主体中进行，属于缓慢化学反应。
3
2、NaOH溶液吸收CO2，反应速率rCO2k2CCO2CB，NaOH浓度CB0.5kmolm3，液膜传质系数kAL1.5104ms，反应速率常数k25103m3kmols，液膜内分子扩散系数DAL1.8109m2s，界面上CO2分压为0.001MPa，CO2气体的亨利系数HCO0.138kmolm3MPa，若液膜中NaOH浓度可认为常量，试求反应吸收的速率。
解〗
CB为常量，反应可视为拟一级反应，反应速率常数：
k1k2CB51030.52.5103s1
属于M>>1的快反应，M14.1
0.1380.0012.51031.81092.92107kmolm2s3、铜络合溶液吸收氧气为快速不可逆反应，其反应为：
2CuNH320.5O22NH32NH42CuNH34H2O
已知系统总压为12.0Mpa，气体中氧气的含量为0.1%，已知kg5.0kmolm2MPah，kL2.0104ms
DCuNH32,L
DO2,L1，试求含CuNH32为2.0kmolm3铜络合溶液吸收氧气的吸收速率。
解〗
PO120.0010.012MPa
CBL
由此判断，该反应为气膜控制，相界面与反应面重合，则有
NAkgPg50.0120.06kmolm2h
升级会员 