化学反应工程课后习题

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1-5,循环操作,，原料分离回收循环操作，,甲醛初始浓度,10%,（质量比），出反应器,1.6%,，丁炔二醇,初浓度,0,，出口浓度,7.65%,，求,第,1,章 绪论,2-4,间歇反应器：,C,A0,和x,A,相同（T,1,=,20,时，反应时间t,1,=,8,d；T,2,=,120,时，反应时间t,2,=,10min,），试估算,E,a,第,2,章 化学反应动力学,2-,5,C,2,H,4,二聚反应：(1) T=200，E,a,=156.9 kJ/mol,；,C,2,H,6,二聚反应：,(2) T=200,，E,a,=104.6 kJ/mol,。为使反应速率加倍，要提高多少温度？,（1）,（2）,若使反应速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的温度愈小,2-,6,反应温度上升10,，反应速率加倍，,E,a,与,T,之间的关系？,当T,1,(K)=300、400、600、800和1000,K,时，求,E,a,T,（,K,）,300,400,600,800,1000,E,a,（,kJ/mol,）,53.59,94.51,210.92,373.43,582.05,3,-,1,间歇反应器，,n=2,，t,1,=5min时，转化率x,A,=50%;,若要x,A,=75%，需增加多长时间？,第3章 理想间歇反应器,3,-,2,n=1，等温，证明x,A,=99.9%时所需反应时间是x,A,=50%时所需反应时间的10倍,等温时，k 一定,3,-,3,n=1/2，10 min后x,A,=0.75, 30 min后转化率x,A,=?,x,A2,无解,假设,x,A,=1,时，时间为,t,3,30 min后反应物A,完全转化，x,A,=100%,3,-,4,间歇反应器，c,A0,=1mol/L，t=8min后，x,A,=0.8；t=18min后，x,A,=0.9，求该反应的动力学关系？,n=2,在间歇反应器中进行二级反应 ，反应速率为,当 分别为,1,，,5,，,10 mol/L,时，求反应到,=0.01 mol/L,时，所需反应时间。并对计算结果进行讨论。,3-8,对于二级反应，若,1/C,A,1/C,A0,，,反应时间,t,与反应物初始浓度无关。,生物化工中胰蛋白原转化成胰蛋白酶时，,在间歇反应实验中测得不同温度下反应速率于某时刻,达到最大值,3-10,在间歇釜式反应器中进行液相反应 ，测得二级反应速率常数： ，计算当,1,和,5,时，转化率分别为,0.5,，,0.9,，,0.99,时所需的反应时间，并对计算结果进行讨论。,3-12,当,C,B0,/C,A0,=,越大，达到相同转化率所需的时间越短；,当,C,B0,/C,A0,不变时，随,x,A,的增大，所需,t,增大，且,x,A,越高，,t,增加越快,在,3-12,题中，若 时，用拟一级反应方程式处理，其计算结果与按二级反应处理相比较。,当,c,B0,/c,A0,=5,时，二级反应可做拟一级反应处理,。,3-13,可逆一级液相反应 ，已知,。当此反应在间歇反应器中进行时，经过,8 min A,的转化率是,33%,，而此时平衡转化率为,66.7 %,。此反应的动力学方程,。,3-20,*例,3-8,（,p27,）,化学反应工程,原理,例题与习题,可逆反应,，已知,。已知,210,o,C,时，,求在该温度下所能达到的最大转化率为多少？若要使,，则需采取何种措施？,3-21,若要使,x,A,=0.9,，可以降温或者移除产物。,有一简单反应，原料,A,，产物,P,，实验测得下列数据，已知,试求平衡转化率和反应速率常数,3-22,时间,0,180,300,420,1440,A,转化量,0,0.20,0.33,0.43,1.05,1.58,代入数据，求平均值,在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应：,A,和,B,的初浓度均为,2kmol/m3,P,为目的产物，试计算反应为,2h,的,A,的转化率和产物,P,的收率。,3-23*,有一平行反应,串联液相反应：,在间歇反应器中，开始时溶液中含有,A,的浓度,及过量的,B,，得到如下数据：,试问,:,的比值为多少？间歇反应器中,P,的最大浓度为多少？并求此时,A,的转化率,3-26*,时间,T,cA,cP,t1,0.055,0.038,t2,0.01,0.042,丙烷热裂化为乙烯的反应 ，反应在,772,o,C,等温条件下进行，其反应动力学方程式为,式中,k,=0.4h,-1,，若采用理想管式反应器，,p=0.1MPa,进料流量,，当转化率,=0.5,时，求所需反应器的体积,4-4,第,4,章 理想管式反应器,四氟乙烯是制造聚四氟乙烯所用的担体，可将一氯二氟甲烷进行热分解得到,若在,0.10133 MPa,，,700,o,C,等温条件下，用直径为,100 mm,的管式反应器进行分解纯的一氯二氟甲烷，其流量为,0.4 kmol/min,，试计算分解率为,0.8,时所需的管长。已知反应为一级，,700,o,C,时的反应速率常数,k,=0.97s,-1,4-5,在一活塞流反应器中进行下列反应：,反应均为一级，已知,。,A,的最大进料量为,3 ,且不含,P,与,S,。试计算,P,的最大收率和总选择性以及达到最大收率时所需反应器的体积,4-15,4-23,*,常压法生产稀硝酸时，离开快速冷却器的气体组成是：,NO,为,9%,，,NO,2,为,1%,，,O,2,为,8%,，其余均为,N,2,等惰性气体（摩尔分率）。此气体浸入氧化塔。在,0.10133MPa,，,20,的等温条件下进行氧化反应：,反应终点要求,NO,2,: NO=5,，已知入塔气体流量为,10000m,3,/h,，氧化塔中反应体积可用下式计算：,式中：,V,R,反应器体积，,m,3,；,G,气体质量流量，,kg/s,；,y,单位质量气体的,NO,2,摩尔量 ；,k,反应速率常数,1.410,4,m,3,/(kmol s)(20,),。,试求反应器体积是多少？,考虑,1kmol,气体进入反应器，并设在反应器某一位置生成的,NO,2,为,x kmol,，得：,组分,进口处,kmol,某一位置,kmol,NO,0.09,0.09-x,NO,2,0.01,0.01+x,O,2,0.08,0.08-0.5x,N,2,0.82,0.82,total,1.00,1.00-0.5x,该位置处体积流量,在出口处要求,NO,2,: NO=5,，则：,5,-,2,液相反应，反应速率： ， CSTR中，,x,A,=0.5，若CSTR体积扩大,6,倍，其他条件不变，此时x,A,=?,第,5,章 连续流动釜式反应器,5,-,3,一级反应，150,等温PFR中x,A,=0.6；若用同样大小CSTR，处理量不变，要使x,A,=0.7，问此时CSTR该在什么温度下操作？（E,a,=83.7 kJ/mol),反应器体积不变，处理量不变，则 不变,5,-,5,一级反应，E,a,=83.7 kJ/mol，反应温度150,，PFR中进行时，其体积为V,p,，改用CSTR，其体积为V,M,，说明Vp/V,M,表达式。若x,A,为0.6和0.9，为使V,M,与Vp相同，则CSTR应在什么温度下进行？,V,p,=V,M,T,2,=468K,5,-,8,某液相反应实验测得浓度,反应速率数据如下：,c,A,(mol/L),0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,(-r,A,)mol/(Lmin),0.625,1,2,2.5,1.5,1.25,0.8,0.7,0.65,CSTR，c,A0,=2 mol/L，当出口浓度c,Af,为0.6 mol/L,0.8 mol/L,1 mol/L时，,0,=120 L/min，求所需V,R,？并讨论计算结果,类似于自催化反应,5,-,9,一级反应，V,R,=300 L，c,A0,=3.2 kmol/m,3,，k=0.08 s,-1,， x,A,=98.9%，求反应物A的处理量。,（1）间歇操作，辅助时间15min；,（2) 反应器为CSTR，将结果与（1）比较；,（3）A的浓度增加一倍，其他条件不变，结果如何？,由于返混的影响，若要获得相同的 转化率，CSTR的平均停留时间较大，生产能力较小。,由（1）、（2）可见，,v,0,与反应物的初始浓度无关，所以A的浓度增加一倍，结果不变,（1）,（,2,）,（,3,）,5,-,12,体积为V,R,的反应器中进行液相等温反应，反应速率:,（1）CSTR，x,Af,=0.5，改为同体积PFR，此时x,Af,=?,（,2,） CSTR，x,Af,=0.5，若反应器增大10倍，此时x,Af,=?,（3）若反应为零级，求（1)、（2）的计算结果。,（4）若反应为一级，求（1)、（2）的计算结果。,（1）,k,、,不变,（2）,（3）,（4）,n=0,由于,n=1,k,、,不变,k,、,不变,5,-,16*,循环流动反应器，自催化反应，,c,A0,=1 mol/L，k=1 L/(mols)，进料流率v=1 L/s，循环比分别为3，0， ，求x,A,=0.98的反应器体积。,当R=3时,R=0，即平推流反应器情况,由于进料中没有产物，该反应无法启动，所以V= 。,当R= 时，即连续流动釜式反应器的情况,*例,5-4,（,p118,）,化学反应工程原理,5,-,20,证明：两釜串联中进行一级反应，一定转化率下，两釜体积相同，则其总体积为最小。,转化率一定，则c,A,0,/c,A2,为定值,设,将上式对c,A1,求导，可得,将 代入上式，可得：,当且仅当 ，反应器体积最小,此时,第,6,章 反应过程中的混合现象及其对反应的影响,6-6,固相反应 ，测得停留时间分布,如图,6-4,：已知：,， 求,x,A,?,0,2,t (min),0.5,6-7,CSTR,，液固相反应，产物为固相，反应为一级，已知 ，,固体颗粒平均停留时间为,100/min,，求：,（1）平均转化率；,（,2,）若转化率低于,30%,为不合格，试估计不合格产品所占百分率；,（3）若改用,2,个等体积,CSTR,串联（总体积不变），估算不合格产品百分率。,（1）,（,2,）,（,3,）,6-8,今有硫铁矿焙烧反应，已知该反应为动力学,控制，,t,为反应时间， 全部反应所需时间 。,设反应过程中气相组成不变，离子停留时间,分布如图,6-5,，求平均转化率,x,A,?,0,1.0,t (h),1.0,第,7,章 化学反应过程的优化,7-3,自催化反应 ，其反应速率方程为 ，进料,A,的初浓度 ，要求达到最终转化率为,0.99,。为使反应器体积最小，拟用一个,CSTR,和一个,PFR,组合。进料流量 ，速率常数 ，问应如何组合两个反应器？中间转化率？反应器总体积？,自催化反应：,CSTR+PFR,CSTR:,PFR,：,7-6,已知分解反应为：,25,：,求,：（,1,）该温度下，为使产物,P,收率最大，应选用什么反应器？,（,2,）所选反应器中，,c,P,max,？,P,S,T,A,1,2,3,平行反应，主反应级数低，,CSTR,（1）,（,2,）,7-7,有一液相反应 ，其反应速率方程为,现有,CSTR,和,PFR,各一个，体积均为,0.7 m,3,，试问以下三个方案中，哪个最好？为什么？,（,1,）,CSTR,后串联,PFR,；,（,2,）,PFR,后串联,CSTR,；,（,3,）,CSTR,和,PFR,并联。,（1）,（,2,）,等摩尔反应：,先,CSTR,：,再,PFR,：,先,PFR,：,再,CSTR,：,（,3,）,CSTR,与,PFR,并联,第二个方案较好。,7-9,一级不可逆反应： 。已知： ，反应系统进料体积流量为,0.142 m,3,/min,，进料组成为，,对于产物,P,的最大收率，下列反应器中哪个比较优？请说明原因。,（,1,）单个,CSTR,，体积为 ；,（,2,）两个,CSTR,串联，每个体积为,0.142 m,3,；,（,3,）两个,CSTR,并联，每个体积为,0.142 m,3,；,（,4,）单个,PFR,，体积为,0.284 m,3,。,（1）,（,2,）,对第二个,CSTR,中物料,P,做物料衡算：,两个,CSTR,并联，同（,1,）,（,4,）,（,3,）,单个,PFR,7-26,对平行反应,其中,P,为目的产物，在等温操作中证明：,（,1,）采用,CSTR,，则 ；,（,2,）采用,PFR,，则 。,P,S,T,A,（1）,（,2,）,CSTR,：,PFR,：,7-30,CSTR,反应器中，复杂反应动力学已测定，已知,，进料体积流量,v,和出口浓度如下：,（,1,）判断反应类型；,（,2,）求动力学方程式。,序号,v,（,L/min,）,c,A,(mol/L),c,P,(mol/L),c,S,(mol/L),1,100,0.50,0.40,0.10,2,16.7,0.25,0.60,0.15,3,2.22,0.10,0.72,0.18,（1）,（,2,）,随着,c,A,浓度的减小，,c,P,，,c,S,的浓度均增大，,平行反应,A,k,1,k,2,P,S,产物,P,：,同理，,7-35,两个等体积的,PFR,和,CSTR,反应器按图,7-4,，所示形成七种组合方式，在等温条件下进行一级不可逆反应，反应数率,PFR,与,CSTR,的体积均为,1 L,，进入反应器组合系统的流量为,1 L/min,，计算各种组合方式的最终转化率。,（,a,）,（,b,）,（,c,）,（,d,）,（,e,）,（,f,）,（,g,）,各类反应器组合系统的计算,基本原则：,前一个反应器的出口浓度,C,（或,x),是后一个反应器的进口浓度,C,（或,x),提示：,