朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解.docx

1、朱柄辰第四版化学反应工程思考题详解rAk(PAPB PS PR /K)(1 bAPA bSPS)2(1 bBPB bRPR )试写出反应机理及控制步骤，并证明之。解A 2 1 2A1 12B 2 B 22A1 1 B 2 S 1 R1 2 1(控制步骤) 22S 1 S 12R1 2 R 2 22k(PAPB PS PR K)rA 2A (1 bAPA bSPS)2 (1 bRPR bBPB)k15、丁烯在某催化剂上制取丁二烯的总反应方程式为 C4H8 C4H 6 H 2 ，假设丁烯脱氢化学反应按如下步k2骤进行：(a)C4H 8 C4H8 A A(b) A B C(c) B B写出 (b)为

2、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A bAPA V ， B bBPB VrA k1 A k2 BPCV1V 1 bAPA bB PB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,气相中的摩尔分数 yA0.50，操作压力 0.10133MPa ，反应温度 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

3、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rAg Sekg CAg CAS kC ASrAg kCAS 0.5187 0.333 0.0072 0.00124kmol m3 s-5 3 8、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 10-5mol cm 3.s，颗粒外表面 A 组分的浓度为 1.1 10-5mol cm3，的分子量为 128，催化剂颗粒为球形，直径为 0.18cm ， 颗粒密度为 p=1.0 cm3，孔隙率 0.48，比表面 S468m2/，曲节因子 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

4、9700r T 9700 2.05 10 7 350 273.15M 128DC DK 4.39 10 3 cm sDeff DC 0.48 4.39 10 3 7.26 10 4 cm2 s eff C 2.90.6231 1 1 1 1 1th3 3 1.138 th3 1.138 3 1.1389、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，球形颗粒直径为毫米，催化剂时本征反应速度 A 0.42mol m3.s，反应热为 198000 J mol,有效扩散系数为 4.75 10-7

5、m2s，有效导热系数为 0.366W m.k ，试求颗粒 内最大温差及内扩散效率因子。5 10 7 cm2/s。试估计定态下催化剂颗粒表面与中心的最大温差。Deff 7.04 10 4 cm2 s ，采用直径与高均为 5 mm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 P1.06 gcm3,颗粒孔隙率 0.52,Sg350m2 g，求在 500， atm，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 ，异丙苯苯的分子扩散系数为 0.155cm 2 s。球型催化剂颗粒直径为 0.5 cm ， 550时该反应的速率

6、常数 k=0.25 s-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 4.96 kmol 的 B，已知反应速率 rA 1.045CA2 kmol m3 h ，试求醋酸转化率 xA分别为 0.5、0.9、0.99 时CH 3COOH C4H9OH CH 3 COOC4 H 9 H 2O解：加入物料的体积t CA0xA dxACA0 nA0 1 1.79 kmol m3A0 V 0.559dxAkCA0 1 xAkCA0 1 xA2 、 生 化 工 程 中 酶

7、反 应 A+P P+P 为 自 催 化 反 应 ， 反 应 速 率 式 为 rA kCACP ， 某 温 度 下 k=1.512 m3 kmol min ，原料中含有 A0.99kmol/m 3，含 P 为 0.01kmol/m 3，要求 A 的出口浓度达到 CAf=0.01kmol/m 3，该反应器的处理能力为 V010m3/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) rA kCACR kCA CR0 CR kCA CR0 CA0 CA为使反应速度最大，应有： drA 0dCA即： k

8、CR0 kCA0 2kCAm 0 (3) 平推流反应器体积：10 ln1.512 600.01 0.99 1.013m30.99 0.013、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： xA1 0.324，xA2 0.5，(3) 用一个平推流反应器。进料的平均分子量： M 0.1675 60 0.8325 74 71.655NA0 735 0.1675 1.7181kmol h 1718.1mol h(1)全混流反应器：(2)全混流反应器串联：VR VR1 VR2 409.3 411.2 820.5l(3)平推流反应器：-24、在间歇反应器中进行液相反应，测得此二级反应的

9、反应速度常数为 k 61.5 10-2l mol.h ，CA00.307mol l ，计算当 CB0CA01，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：Ct0.51 xA1 0.5t0.9t0.99kCA0 1 xA1 xAkCA0 1 xAkCA0xA1 xA0.615 0.307 1 0.51 0.90.615 0.307 1 0.91 0.990.615 0.307 1 0.995.296h47.668h524.35h0.02mol/l ，反应速度常5、在等温间歇反应器中进行皂化反应： CH 3COOC 2H 5 N aOH CH 3COON a

10、C 2H 5OH 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=5.6l/min.mol, 要求最终转化率为 0.95，试求所需的反应时间。 解：t CA0 0xA dxACA0dxA kCA0 1 xAxAkCA0 10.95 169.6min5.6 0.021 0.956、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1 1 1 1 2.303 ln lnk 1 xA k 1 0.9 k全混流反应器：CA0xAtrACA0 xAkCA0

11、1xAk 1 xAxA 2.303k1 xA kxA 0.69727、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 83.68kJ mol 。解平推流反应器：VR V0CA0 kC dx1A x Vk0 ln1 1x Vk0 ln1 10.60 Vk0 0.916k1CA0 1 xA k1 1 xA k1 1 0.60 k1全混流反应器：VR V0CA0xA V0 0.7 V0 2.333k2CA0 1 xA k2 1 0.7 k28

12、3680 83680k2 2.547k1 ， e 8.314 T 4.707e 8.314 423.15T 440.5K ， t 167.35 8、在全混流反应器中进行如下液相可逆反应：k1A B P Rk2在 120时，反应速率 rA rB 8CACB 1.7CPCR mol min l ，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 A 3.0mol l ，另一股含 B 2.0mol l ，当 B的转化率为80时，每股料液流量为多少。解11CA0 3 1.5mol l ; CB0 2 1mol l22CB0 1 xB 1 1 0.8 0.2mol l ;C A0 C

13、B0xB 1.5 1 0.8 0.7mol lCS CB0xB 1 0.8 0.8mol lCBCACRrB 8 0.7 0.2 1.7 0.8 0.8 0.032 km ol m3 minVR V0 CB0 xB V0 1 0.8 100 ml R 0.032rB V0 4ml min VA VB 2ml minV 0=0.002m3 s，进9、液相自催化反应，反应速度， k=10-2m3kmol.s ，进料体积流率(1) 单个平推流反应料浓度 CA02kmolm3，CP00，问当 XA0.98 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

14、器串联。解rA kCACR kCA0 1 xA CA0 xA(1)dxA0.98VR V0CA0 0 kCA20 1 xA xAV0 ln xA |00.98kCA0 1 xA(2)VRV0CA0xA0.002 0.98kCA20 1 xA xA 0.01 2 1 0.98 0.985m3(3)VR1V0C A0xA1kCA0 1 xA1 xA1VR2V0C A0 xA2 xA1kCA0 1 xA2 xA2xA10.850.002 0.850.01 2 1 0.85 0.85 0.667m3VR VR1 VR2 0.667 0.6678 1.334m312。xAe 2 3 ，反应器出口实际转化

15、率 xAf 1 3，问如何调节加料速率，可使反应转化率达解平衡时k1CA021 3 k2CA0 3k1 2k2V02 1V01 3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：(s)0 120 240 360 480600 720840960C(t) 0 6.5 12 1210已知该反应器内进行一级不可逆反应，5反应速度常数k3.2410-3s-1，试用多级串联全混流模型计算转化率xA 。解：tmtC t0 187200 374.4s50Ct或：tmtE t 3.121460 tE t 3.12146 374.3sE t 0.008340t2t

16、2C t0Cttm28539200 374.42 30608.6s2501424.03 2 2374.32 30608.6s2C t0.0083402t2 30608.6tm2m2374.420.2181 m22 0.2184.59xAm 1 1 k m4.593 374. 41 3.24 10 34.590.6592、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 01min ，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V0C0d

17、t V0C t dt VRdC tC0 C tVR dC td CC0t 1 1 C tdt tm 1 C0ln1C01 Ctttm A当t 0时，反应器出口处 C t 0，则有 A 01t1 C t tmC01F 1 1 e 10 0.0 9 5F 30 e 10 e 10 0.053、用脉冲法测得停留时间分布数据如下：t(s) 0 48 96 144 192 240 288 336 384c(t) 0 0 0 0.1 5 10 8 4 0 试计算平均停留时间，如在反应器中进行一级反应， 和 PFR ，其平均停留时间相同，则反应结果分别为多少。 解4320k 0.0075s-1，求平均转化率

18、。如分别采用 CSTRtC(t) t0 tC(t) t 7022.4 48 259.1s27.1 48C(t) t0xA 1CCA0 1e ktC t t0 4.116 480 1 1 0.1519 0.848127.1 48C t t 27.1 480平推流反应器：VR V0CA0dxAV0 ln 1k1CA0 1 xA k1 1 xAt 1 lnk111 xA全混流反应器：t CA0xA 1 xAkCA0 1 xA k 1 xAktxA0.0075 259.10.6602kt1 kt 1 0.0075 259.14、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) 1 2

19、 3 4 5 6 8 10 15 20 30 41 52 67c(t) 9 57 81 90 90 86 77 67 47 32 15 7 3 1今有一液相反应 A BP，已知 CA01 的快反应， M 14.10.138 0.001 2.5 103 1.8 10 9 2.92 10 7 kmol m2 s 3、铜络合溶液吸收氧气为快速不可逆反应，其反应为：2Cu NH3 2 0.5O2 2NH3 2NH 4 2Cu NH3 4 H2O已 知 系 统 总 压 为 12.0Mpa ， 气 体 中 氧 气 的 含 量 为 0.1% ， 已 知 kg 5.0 kmol m2 MPa h ， kL 2.0 10 4 m sDCu NH3 2 ,LDO2,L 1，试求含 Cu NH3 2 为 2.0kmol m3 铜络合溶液吸收氧气的吸收速率。解PO 12 0.001 0.012MPaCBL由此判断，该反应为气膜控制，相界面与反应面重合，则有NA kgPg 5 0.012 0.06kmol m2 h