《化学反应工程》第三版陈甘堂著课后习题答案.docx

1、化学反应工程第三版陈甘堂著课后习题答案化学反应工程第三版(陈甘堂著)课后习题答案 第二章均相反应动力学基础 24 三级气相反应2NO+O2 2NO2，在30及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数 2 kC=2.65104L2/(mol2 s)，若以 rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？ 解：原速率方程 rA= dcA2 cB=2.65104cA dt 由气体状态方程有 cA= 代入式（1） 25 考虑反应A 课 所以 kp=2.65104(0.08477303) 3=1.564 后 当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。 答 p p 2 rA=2.6

2、510 A B =2.65104(RT) 3pApB RT RT p表示的动力学方程。 解： .因， w w nAp =A，微分得RTV daw 案 2 4 网 pAp ，cB=B RTRT 3P，其动力学方程为( rA)= dnAn =kA。试推导：在恒容下以总压VdtV A= 3 1 =21 dnA1dpA = VdtRTdt 代入原动力学方程整理得 w dpA =kpAdt 设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义 A= n n0nA0 nA 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn .co （1） mol/L s (k

3、gf/cm2) 3 m （1） 则 nA=nA0 1 (n n0)A 1 (P P0)A （2） 恒容下上式可转换为 pA=P0 所以 将式（2）和式（3）代入式（1）整理得 26 在700及3kgf/cm2恒压下发生下列反应： C4H10 发生变化，试求下列各项的变化速率。（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。 解： P=3kgf/cm2，（1） 课 MC4H10=58， （2） w .k rC2H4=2( rC4H10)=22.4=4.8kgf/(cm2 s) PC4H10=PyC4H101 dpC4H10 = P dt 2.4-1 =0.8 s 3 w （3

4、） nC4H10=nyC4H10=n0(1+C4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10 dnH2dtdnH2dt = hdaw 后 n0=nC4H10,0=C4H10 rC4H10= 反应开始时，系统中含C4H*kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率 dyC4H10 dt 答 1 rCH=2.4224 w dnC4H10 dt 案 1161000 =2000mol582+1 1=2 1 网 dyC4H10 =n0(1+C4H10yC4H10,0xC4H10) dt =2000(1+210.5)0.8=3200 mol/s 若侵犯了您的版权利益，敬请来信

5、通知我们！ Y http:/.cn o 2C2H4+H2， dP =k(A+1)P0 P=k(3P0 P)dt m （3） dpA1dP = dtAdt 29 反应A P S，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ， cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。反应在等温、间歇反应器中进行，过程为恒容过程，求反应产物P的瞬时收率与总收率。 解： cA=cA0e k1t k1 k2t k1t c=c (e e) m PA0 k1 k2 k1 (e ko c2t e k1t rPkck k k )P=r=1 2P=1 2 12 kAk1cAk1e 1t =1 k

6、 2 k网 .案 (e(k1 k2)t 1)1 k 2=k1 k答 1 k2 k1ak w 2 k (k1 k2)t=1.25e 4k1t 0后 2 e .25课 d c k 1 ke k2t e k1t)1 k2 (P0.25(1 e 4k1t)P=c=1 e k1t = A0 cAek1t 1或由 k h1 P= cA0 cA cA c A0 pdcA 计算。 .第三章均相反应过程 3-1 w w 解：（1） k=1ln11 x=1ln11 0.7 =0.0926min-1 tA13= 1111（2）平推流反应器 kln1 x=ln=13minA0.09261 0.7S11V= =13 =

7、0.0769 min-1若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w = （3）全混流反应器 xA0.7 =25.2min k(1 xA)0.0926(1 0.7)11SV=0.0397 min-1 25.2 32 ，已知进料中含30%A （摩尔分率），其余为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，动力学方程为：( rA)=0.27cA（mol/m3 m 在555K及3kg/cm2下，在平推流反应器中进行反应：s），为达到95%转化率。试求：（1）所需空速是多少？（2）反应器容积大小。 解： vF0RT=6.30.08206555 0= o 8110/1.01310 =9

8、9c.42 L/s = 0.09942 m3p39.45/s= 1kln11 x=1.27ln1网 1 0.95 =11.1 sA0.SV=1/=1/11.1=案 0.09 s-1 V=v0=0.答 w 099421134 后 a.1=1.104 m3 均相气相反应d，服从二级反应动力学。在5kg/cm2，350和v0=4m3/h下，采 用一个2.5cm内径，2mh长的实验反应器，能获得60%转化率。为了设计工业规模的反应器，当处理量为320m3/h，进料中含50%A，50%惰性物料时，在25kg/cm2和350下反应，为获得80%转化率，试求：k （1）需用2.5cm内径，2m长的管子多少根

9、？（2）这些管子应以并联或串联？ .w 假设流动状况为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。 解： 3 1A=1 =2,yA0=1 w cA0 =p=59.811048.314(350+273)=97.4 mol/m3 RTccA0(1 xA)cA0(1 xA) A= 1+= AyA0xA1+2xA 2 r22 A=kcA=kcA0 1 xA 1+2xA 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w 由设计方程 xAdxV1A =cA0= 0 rv0kcA0A 0.6 1+2xA 1 x dxA A 2 = 1 kcA0 0.6 3 2 1 x dxA A 0.6

10、 2 = 4.905kcm 1=kcA0 9 + x+x12ln(1)4AA x1 A 0 A0 所以 V= 4.905v0 kc（1） o A0 工业反应条件下： ypya 0c A0=0.5，cA0= 网 RT =2.5cA.0 ccA0(1案 xA)c+=0xA w A0 (1 xA)A= 1答 AyA1+xA2 后 =Va0.8 d 1+xA 课 v=cxAdxA 1A000 r=AkcA0 1 x dxA A2 = 1 0.8 hkcA 2 0 1 x 1 A dxA0.8 k =1 4kc 1 x+4ln(1 x A)+xA A0 A 0 .=10.36 kcw A0 所以 V=

11、10.36v0 kc（2） A0 w 比较式（1）和式（2）得： V10.*V=n=10.364.905 cA0c v0 A0v=0 4.9052.54=67.6 68 根应并联组合。 35 丙烷热解为乙烯反应可表示为：C3H82H4+CH4，（忽略副反应） 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w 在772等温反应时，动力学方程为： dpA =kpA，其中，k=0.4h-1。若系统保证恒压，dt 。求当xA=0.5时，所需平推流反应器的体积。p=1kgf/cm2，v0=800L/h（772，1kgf/cm2） 解：因 A= cA= dcpA ，动力学方程可转换为：

12、 A=kcA dtRT m 1+1 1 =1,1 yA0=1 ccA0(1 xA)cA0(1 xA) A= 1+= AyA0xA1+xAo = Vv=cxAdxA 10.5 1+xA A0 设计方程 00 r=Ak0 1 xA dxA c =1k0.5 0 2 1 x 1 A 网 .=1 案 dxA0.5 k 2ln1 答 1 x A w xA= 1 0.4 后 (2ln2 0.5)a 0 =2.216 hV课 =v0=800d2.216=1773 L 38 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。今改用全混流反应器，起所需体积为V

13、m，则Vm/Vp应有何关系？若转化率分别为0.6.和0.9，如要使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变化？ w 解： 一级不可逆反应设计方程w PFR Vv0p= kln 1 P1 x（A）ACSTR V= v0m xAk（B） m1 xA （1）等温反应kVmxA P=km，则， V= p(1 xA)ln(1 xA) （2）若Tp=150，要求VP=Vm，则有， 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w E 1kmxA1 = =exp (1 xA)ln(1 xA)kpRTTm P 当xA=0.6时，由式

14、（C）求得Tm=159当xA=0.9时，由式（C）求得Tm=175.6（3）n级不可逆反应设计方程 PFR （C） v0 VP=n 1kc n 1 11 1 1 xn 1m （D） A0 A CSTR Vv0xA m= o kcn 1 A0 (1 xA)nc（E） 当n=2时 VmV网 =1 1 x1pA .当n=1/2时 Vm案 x1/2V=A=1+(1 xA)1答p2(1 xA)1/w 2 (1 xA)2(1 xA)1/2 当n=1时 后V课 Vam=2(1 xA) 1310 dp2 xA 某一分解反应 P rp=2cA A S1rs1=1 S2 r2 s2=cA w 已知cA0=1mol

15、/L，且S1为目的产物，求：（1）全混釜；（2）平推流；（3）你所设想的最 w 合适反应器或流程所能获得的S1最高浓度是多少？ 解： （1）CSTR cS1S1= c= = 1 A0 cA (1+cA)2 ccA0 cAS1= (1+c2 A)若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w 当 cA=0 时， cS1=cA0=1.0mol/L。cS1= dcA= cA0cA cA0 （2）PFR cA 1 A (1+cA)2 = 当cA=0时， cS1=0.5mol/L。 m 11 1+cA2 （3）采用全混流反应器与分离装置组合，cS1=1.0mol/L。 第四章非理想

16、流动 o 42 c脉冲示踪测得如下数据，求E、F。 t/min0 1 2 3 网 .4 5 67 8910c(t)/(g/L)003 案 5 6 w 6 4 3 2 1 解：（1）求C0。 答 后 aC0=ci t=0 课 ti=30 d t/min03 *-*c(t)/(g/L)k h1 20 3 5 6 6 4 3 2 1 0E(t)000.1 0.167 0.2 0.2 0.133 0.10.0670.0330F(t).00 0.050.1830.3670.5670.7330.850.9330.9831w tE(t) 000.20.50.810.80.70.5330.30t2E(t) 0

17、.4 1.5 3.2 5 4.8 4.9 4.267 2.7 w t=4.78 min 2t =26.3 4.782=3.46 2 2t3.46 = = t 2 4.78 2 =0.1524-9 有一反应器被用于某一级反应，对该反应器进行示踪应答试验，在进口出加入函数，示踪物在出口处响应为： 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w t/sc(t) 100 203 305 405 504 602 701 800 已知该反应在全混釜中进行时，在同样下，xAf=0.82，求本反应器所能获得的xAf？解： t/sc(t)C0=*-*-*02m 701 * 0+4(3+5+

18、2)+2(5+4+1)+0=2003 E(t)00.0150.0250.0250.020.01tE(t)00.30.7511 0.6o 0.005 0.35 t2E(t)0 6 22.5 40 50 c36 24.5 xA(t)0*.*.*.9969.0.*.*.9999xAE(t) 0.0135 0.0242网 0.01 0.005 10 3 0+4(0.3案 +1+0.6)w 0.02480.0199 t= +2(0.75+1+0.35)+0=39.3 s2t= 10 0+答 3 后 4(6+40+a36)+2(22.5+50+24.5)+0 39.32=195.5课 2= 195.5 3

19、9.32 d=0.127由CSTR的设计方程 h=t=xAf k(1 xAf)所以k k= xAf (1 x= 0.82 Af) 3(1 0.82) =0.1159 s-1 39.w 故 .xA(t)=1 e 0.1159t 用不同反应时间代入上式计算转化率,并填入表格。 w xAf= 10 3 0+4(0.0135+0.0248+0.01)+2(0.0242+0.0199+0.005)+0=0.97146一个封闭容器，已知流动时测得Eu/uL=0.2，若用串联的全混流反应器能表达此系统，则串联釜应为多少？ 2 2=2 1 Pe 2 1 Pe (1 e Pe) 解： =20.2 20.22(1

20、 e 5)=0.3205 N= 12=1.3205 =3.1230若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w 4-10脉冲示踪测得反应器内停留时间分布数据如题4-9。 进有液液均相反应A+B 产物，已知cA0=cB0，若此反应在平推流反应器中进行，可 得转化率为99%，求（1）用扩散模型时，转化率为多少？（2）假定多级全混流模型可用，求釜的数目及所能达到的转化率。 解：（1）4-9已接得2=0.127，反应器为闭式容器，则由 1 1 2=2 2 (1 e Pe)=0.127 2 m Pe Pe 试差法解得Pe=14.7。 o 由PFR中二级反应的设计方程 = xA k

21、cA0(1 xA) c得 kcxAA0= 案 1 x网 .=由kcw 0.99 =99A1 0.99 A0=99，Pe/2=7.35，查图答 4-17a，得1 xA=0.018 所以，扩散模型计算的转化率后 dxA=1 0.018=0.982 （2）多级全混流模型的参数课 N= 12=10.127 =7.878由kcA0=99h，N=8，查图得，1 xA=0.017 w 所以，多级全混流模型计算的转化率xA =1 0.017=0.983 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w 52（1） A+ B +A +BC AB 催化剂与催化反应动力学 C C +m （2 ）

22、 A+ 1 B+o 2B 2 A 1+ B2 C2+1cC2 C+2 网 .（3） A+ A 案 B+w B A+B C+a（4） B+B B+AC C C+ 57 .w a= 2Vg S=2p 20.52 g S= gp 350101.06 =2.810 74 cmw DK=9700a(T/M)1/2=97002.810 7(773120)1/2=6.8910 3 cm2/sD= 11/D/D=1 0.0066 cm2/s AB+1K1/0.155+1/0.00689 D3e= pD = 0.520.0066 =1.1410 cm23 /s 第六章 固定床反应器 若侵犯了您的版权利益，敬请来

23、信通知我们！ Y http:/.cn w 61 u= G*=4.63 m/s1.53600 310 34.631.5 =*-*(1 B)1.810 5(1 0.45) L dS ReM dpu 1 B p=1.75 3 B 2 1 0.45 4 25 u=1.751.54.63=4.5310 Pa 3 0.45 0.003 m 62 h=0.2271 T3 m o rV 1+ 100 B 1 （1） 2(1 B) c =0.227网 1.3 1+ 案 0.421 673 =69.2 W/m2 K 2(1 0.42)1 100 1 h0.227 答 3 w a3 .227后 2 Tm rS= 1

24、00 课 =0d 1 673 2 2 1 100 =69.2 W/m K 0e h hrVd =pB 1 1+ B +12 k 1rS+3 S + p S.w =0.581 0.0546 =10.6查图6-15得1=0.17,2=0.06 =B 0.26w 2+(1 2)0.216 =0.06+(0.17 0.06)0.42 0.26 0.216=0.128 0e 1 0.42 =0.42 69.20.005 12所以 1+0.0546 + 1 0.128+3 10.6 0.0546 =2.668+4.34=7.01 dp0.005 d= 查图6-14得()=0.11 t 0.1 =0.05若

25、侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w Rep= 则 dpu = 0.00521.5 =114.5 13.110 5 e/=0e/+()RepPr=7.01+0.11114.50.7=15.83e=15.830.0546=0.886 W/m K （2） S =10.6 查图6-15得W=0.105 m W hrVd = pW 2+ +1W 11 1o rS+p3 S + W c0 W69.2网 .1 0.7 =0.7 2+0.005 0.0546 +11 1案 +3 10.6 =5.838+3.175=答 09.013 w .105+0.0546 1h0d后 a课

26、=1d 0.50 =1 0.5 =wp/0w /9.0137.010.0396h* wdp =CPh1/3 r R1/2 ep =40.71/3114.51/2=38.0 hwdp1 = k h0 wdp + 11 = 10.0396 +1 11=28.3 .h* +wdp/wPrRep 38.0+ 0.0410.7114.5 w hw=28.30.05460.005=308.8 W/m2 K w （3）由式6-33 b= hw(dt/2)308.80=.1 e20.886=17.4查图6-16得 a21=5.2 , (b)=0.27 y=4eL 4(dp/dt)(L/dt)(e/)Gc2 =pdtPrRep= 40.051015.83 0.7114.5 =0.3950.2 若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！ Y http:/.cn w dp e 2 h0= a1+(b)/y