化学反应工程习题库计算题举例及详细解答

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,*,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,*,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,*,化学反应工程习题库(计算题举例及详细解答),化学反应工程习题库(计算题举例及详细解答)化学反应工程习题库(计算题举例及详细解答)1.若某铁催化剂上氨合成反应速率由氨脱附所控制，并设表面吸附态有氨及氮，试推演均匀表面吸附动力学方程。解：过程由氨脱附所控制， 则,将上列各式代入， 可得,1.若某铁催化剂上氨合成反应速率由氨脱附所控制，并设表面吸附态有氨及氮，试推演均匀表面吸附动力学方程,。,解：过程由氨脱附所控制， 则,将上列各式代入， 可得,2Temknh等提出铁催化剂上氨合成反应为下列步骤所组成 式中X代表活性位。若过程的反应速率由 解离吸附控制，试求不均匀表面动力学方程。,解：此时表面化学反应达到平衡，即催化剂上吸附态的吸附平衡分压,根据中等覆盖度情况下不均匀表面吸附理论，当过程为氮的单组分吸附且为控制步骤时，由式可得，,3若一氧化碳变换反应由下列步骤组成而表面化学反应是控制步骤，试推演不均匀表面吸附动力学方程。,解：可知表面化学反应吸附时,由于水解反应达到平衡,4乙烷热裂解，实验证明，该反应的总速率对乙烷是一级的。假定该反应的历程为：根据实验，这个历程中的单分子反应速率式可表示为其余的反应均可以从基元过程直接写出相应的反应速率式。,解：根据稳定态假定的要求，对于每一个链载体净变化应该为零。即,三试相加得:,产物乙烯只是在链增长反应中生成，故它生成的速率就是反应的速率。,式中的由上面提出的反应历程，可以说明乙烷裂解反应为一级的。,5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 ,每批进料1Kmol的A和4.96Kmol的B，已知反应速率 ，试求醋酸转化率 分别为0.5，0.9，0.99所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为,解:,（A） （B） （C） （D）,对每KmolA而言，投料情况如下表：,该反应为液相反应，反应过程中体积比不变，且每次投料体积为:,醋酸（A）,1Kmol,60kg,正丁醇（B）,4.96Kmol,368kg,计算结果表明，转化率从0.9提高到0.99，反应时间从4.81h延长到52.9h，说明大量反应时间花在高转化率。,分别代入计算可得:,计算结果表明，转化率从0.9提高到0.99，反应时间从4.81h延长到52.9h，说明大量反应时间花在高转化率。,6.生化工程中酶反应 为自催化反应，反应速率式 ，某温度下 要求 A的最终浓度降到 ，当原料的进料量为 时，求：（1）反应速率达到最大时，A的浓度为多少？,解（1）,要使反应速率最大,即,化简得,（2）在全混流反应器中,（3）在平推流反应器中,（2）采用全混流反应器时，反应器体积是多少？（3）采用平推流反应器时，反应器体积是多大？,（4）为使反应器体积为最小，将全混流和平推流反应器组合使用，组合方式如何？其最小体积为多少？,（4）反应器的组合形式及最小体积 要使反应器体积最小，从CA0到Cam应该用全混流反应器，而后从Cam到CAf串联一个平推流反应器。,全混流反应器体积为,平推流反应器体积为,7两个等体积的平推流或全混流反应器形成七种组合，在等温下进行一级不可逆反应，反应速率 平推流反应器与全混流反应器的停留时间 均为1min，计算其最终转化率。,解:（a）两个,全混流,反应器,并联,，,（b）两个,全混流,反应器,串联,，,（c）与（d）,全混流,反应器与,平推流,反应器,串联,（e）与（f）两个,平推流,反应器,并联或串联,（g）,平推流,反应器与,全混流,反应器,并联,8.平行反应 生成P的反应为主反应，P为主产物，求：（1）在全混流反应器中所能得到的最大；,解： （1）全混流反应器,求：（2）在平推流反应器中所能得到的最大；,（2）平推流反应器,9.纯苯氯化为串联反应，生成物为一氯苯，副产物为二氯苯反应方程式为的动力学方程,解： 由动力学方程可知，动力学方程各项中均有氯气浓度 ，计算过程中可消除，可用上述推导的一级串联反应 形式的计算公式可进行。,对于理想混合,间歇,反应器，,在理想混合间歇反应器和理想混合连续反应器中进行上述串联反应，求主产物一氯苯的最高含量及此时产物浓度分布情况,对于理想混合,连续,反应器，,10.达到定态操作的反应器进口物料中，用脉冲法注入示踪有色物料，于出口用比色法测定有色示踪物浓度岁时间变化，见下表。设过程中物料密度不变，试确定物料的平均停留时间分布函数，并计算方差。,解,：,由下式计算,停留时间分布函数,由下式计算,平均停留时间,由下式,计算方差,具体计算过程见下表,时间t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080示踪物浓度/（ ）0 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 0 0,时间,t,/,s,0,120,240,360,480,600,720,860,940,1080,0,6.5,12.5,12.5,10.5,5.0,2.5,1.0,0,0,0,6.5,19.0,31.5,41.5,46.5,49.0,50.0,50.0,50.0,0,0.13,0.38,0.63,0.83,0.93,0.98,1.00,1.00,1.00,0,780,3000,4500,4800,3000,1800,840,0,0,0,0.936,7.200,16.200,23.040,18.000,12.960,7.056,0,0,计算结果：,11.在在搅拌良好的间歇反应器中，用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，反应式为： （A） （B） （C） （D）反应在 等温条件下进行，进料配比为乙酸1kgmol配丁醇4.97kgmol，并以少量硫酸为催化剂。,解：计算反应时间二级反应,乙酸分子量为60，丁醇分子量为74，所以乙酸的浓度为,当使用过量丁醇时，其动力学方程式为 式中反应速率常数 ，反应在液相进行，反应物密度为 。若每天生产2400kg乙酸丁酯，如要求乙酸转化率为50%，每批辅助时间为0.5Hr，试计算反应器的有效体积？,（2）计算有效体积,每天需生产2400kg（P）则每小时乙酸用量为,每小时所需原料总量为,每小时需处理的原料体积为,所以反应器有效体积为,12.在管式流动反应器中生产醋酸钉酯，若操作条件和产量上题相同，试计算所需反应器体积。,解：有上题可知,每小时处理原料量为,反应物乙酸的转化率为,按理想管式反应器计算,13.在一管式流动反应器中进行乙烷热裂解制乙烯的反应，反应式为，反应温度为，反应压力1.4大气压，以水蒸气为稀释剂进行裂解反应。水蒸气与乙烷之比为0.5 ：1（摩尔比），乙烷加料速率为20吨/时，乙烷转化率要求达60%，若反应在等温等压下进行，并可忽略其它副反应，试计算下述两种情况时的反应器体积。,解：（1）反应为一级不可逆反应时：,乙烷的分子量为30，进料量为20吨/时，,若反应为一级不可逆，则,（1）设反应为一级不可逆反应（2）若反应为一级可逆反应已知：反应速率方程为 以分压表示的化学平衡常数,反应起始时，乙烷与水蒸气的摩尔比为1 ：0.5：,所以：,13.,（2）若反应为一级可逆反应时,因上式不易积分，不能直接求区解析值，故采用图解积分法令,将计算关系列于下表,将上列数据作图,由图求得,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,y,0.667,0.5607,0.4645,0.3767,0.2963,0.2226,0.1547,1/y,1.5,1.7832,2.1527,2.6544,3.3740,4.4918,0.4632,14.在全混反应器中进行下列液相反应过程是连续且稳定的。A与B的体积流率均为4L/min。且A与B的浓度分别为 。现要求B 的转化率为75%，问反应器体积为多大？设反应物料密度不变。,解 ：由题知，反应器内的反应速率为；,代入速率式：,15.在全混反应器中进行下列液相反应 反应物中AB按等摩尔比配成，其反应速率式为 其速率常数 ，液体加料流率 反应物浓度为 ，反应在 等温条件下进行。当A的转化率为87.5%时试用解析法求（1）单个反应器，（2）两个等体积反应器串联操作及（3）三个等体积全混反应器串联操作下，这三种情况的帆婴器体积各为多少？,解： （1）单个反应器，,（2）两个等体积反应器串联,（3）三个等体积全混反应器串联,可求得；,综合练习题,一、单项选择题:,在CSTR中进行一级不可逆恒温恒容串联反应：A P S，若E,1,E,2,，k,1,k,2,，为提高主产物P的得率Xp，应该选择 ( ),较高浓度 较高温度 较低温度 较低浓度,在PFR中进行等温恒容一级不可逆串联反应 A P S， 当主产物P的浓度Cp最大时的最优空时为opt( )., k,1,/(k,2,k,1,),某一级不可逆反应，当操作条件和转化率相同时，用一容积为V的大型平推流反应器和改用4个容积为V,1,的小型平推流反应器串联操作,反应器容积的相互关系为 ( ),V2V,1,V4V,1,V4V,1,V4V,1,某单一反应，其反应速率的倒数（1/-r,A,）与关键组分的转化率x,A,呈单调下降关系，则在同等条件下应优先选择 ( ),平推流或间歇操作的全混流 全混流 多釜串联全混流 全混流后串联平推流式,综合练习题,二级不可逆反应 的容积效率为 ( ), 1 ,某反应 A + BR, 其动力学方程式,rk,r,K,A,P,A,K,B,P,B,(1+K,A,P,A,+K,B,P,B,+K,R,P,R,)2, 所代表的反应机理式和控制步骤是（ ）, A+ A B + B, A+B R R R+,催化剂颗粒的体积为V,P,、外表面积a,P,、比表面积S,V,、球形颗粒的外表面积为a,s,，表征其颗粒特征的体积相当直径d,V,=（ ）, (6V,P,/,)1/3 (a,p,/,)1/2 6/S,V,a,P,/V,P,常用的催化剂颗粒中气体的有效扩散系数D,e,模型近似计算公式为D,e,=( ), 9700a(T/M)1/2 pD,AB,/RT,综合练习题,表征轴向分散模型的Peclet准数Pe的数值越大，轴向返混程度 ( ), 越大 越小 不变 为零,表征催化剂的内扩散影响的Thiele模数 ，其数值越大，表明内扩散阻力 ( ), 越大 越小 不变 为零,在全混流反应器中停留时间大于平均停留时间的流体粒子占全部粒子的百分数( ),36.79% 63.21% 18.4% 75%,有一平行反应：A P , (主产物)，r,P,k,1,；,k,2,其中k,1,k,2,要提高选择率S,P,，应选择 ( ),S , (副产物)，r,S,k,2,C,A,；,提高温度操作 提高C,A,操作 降低C,A,操作 降低温度操作,综合练习题,三级全混流反应器(等V,R,)串联操作时,其停留时间分布的散度为 ( ), 1 0 0 1 1,平推流反应器中流体浓度分布的特点是: ( ), 轴向上处处相同,径向上不同; 轴向和径向上处处相同;, 径向上处处相同,轴向上不同; 轴向和径向上处处不同.,在流化床反应器中，从气泡经气泡晕到乳相的传递可认为是一个串联过程，其总括交换系数(K,be,),b,与气泡-气泡晕的交换系数(K,bc,),b,、气泡晕-乳相间的交换系数(K,ce,),b,三者之间的关系可表示为,( ),(K,be,),b,(K,bc,),b,(K,ce,),b,； 1/(K,be,),b,1/(K,bc,),b,1/(K,ce,),b,；,(K,be,),b,(K,bc,),b,(K,ce,),b,； 1/K,LA,=1/H,A,k,GA,1/k,LA,；,表征气-液相反应的参数八田(Hatta)数Ha或 ，对于拟一级不可逆快速反应(-R)=kC,A,C,B,，C,B,大过量时可视作(-R,A,)=kC,A,，则Ha=( ), 或 ； ； ； ;,综合练习题,K-L(即国井-Levenspiel)鼓泡(流化)床数学模型假定床顶出气组成可用气泡中的组成代替。在定常态下进行一级不可逆反应时，床顶出气转化率表达式为;,( ), ； ； ； ；,:,化学反应的速率常数的对数lnk与反应温度T的关系可表示为,。,反应程度与反应组分i(计量系数为,i,)的转化率x,i,的关系为：x,i,=,。,对于温度和浓度均匀的连续流动系统，就选定的控制体积如以组分A的摩尔流率F,A,/mols-1进行物料衡算，则单位时间内输入量F,A,in,、输出量F,A,out,、反应消耗量F,A,r,和积累量F,A,b,之间的关系即物料衡算式为,；在连续稳态操作条件下为,。,综合练习题,表征轴向分散模型的Peclet准数Pe的数值越大，轴向返混程度越,；而表征催化剂的内扩散影响的Thiele模数，其数值越大，则表明内扩散阻力越,。,定常态下气体双组分扩散时综合扩散系数D,。,等温催化剂的有效系数,；其粒内浓度分布的方程式为：,。,催化剂颗粒的体积为V,P,、外表面积a,P,、比表面积S,V,，表征其颗粒特征的体积相当直径d,V,=,，面积相当直径d,a,，比表面相当直径ds=,。,对于反应-rA,1, 和反应-rA,2, 速率单位均采用 Kmol/m h，则,1,的因次为：_，,2,的因次为：_。,综合练习题,反应物A的水溶液在等温CSTR中进行二级反应，出口转化率为0.4，现在改在等体积的PRF中进行，则出口转化率为,；如在PRF中进行等温一级不可逆反应，反应物A的初始浓度为C,A0,，转化率为x,A,，当反应器的体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为,，转化率为,；在PRF中进行等温一级均相反应，反应器体积不变，进口物料A的浓度C,A0,从1 mol/l增大到2 mol/l,如果出口转化率x,A,不变,进料体积流量v0必须,。,催化剂床层堆密,b,、颗粒密度,p,及颗粒真密度,t,之间的关系是,。,综合练习题,：,简要说明反应器特性和反应器设计的主要任务。,写出单层绝热床的催化剂用量方程、床层高度方程式。,气一固相催化反应过程一般包括哪些步骤?,简要说明固定床拟均相模型及其一维模型的基本假定要点，说出两类拟均相一维模型。右图为CSTR的Qg-T和Qr-T关系示意图，,请写出放热速率线Qg和撤热速率线Qr表,达式，并在图中标注出稳定的定常态点,和可选热稳定操作点。,综合练习题,一PFR、一CSTR和一层流模型反应器三者的平均停留时间 相等且 =2min，图a、图b分别为三者E(t)t曲线和F(t)t曲线的迭放示意图。请分别标出曲线与t= 和t= / 2八个交点处的图a: E(t)t曲线E(t) 和F(t)值,。,(5) (6),图b: F(t)t曲线,图a: E(t)t曲线,综合练习题,在由一个CSTR和一个等体积的PFR串联组合的反应装置中进行一级不可逆液相等温反应，证明反应结果与串联顺序无关。,如右图，ABC曲线为某可逆反应的平衡,温度线，DEF为最佳温度线。,回答以下各题并简要说明理由：, A、B、C三点的反应速率是多少？, D、E、F中哪点的反应速率最快？哪点最慢？, G、M、E、N各点哪点的反应速率最快？, A、G、H中哪点的反应速率最快？,综合练习题,下列平行反应： AB k,1,P，主反应，r,p,k,2,S 副反应，r,s,为了提高主产物P的收率，在下列情况下应选择什么反应器为最优并简要说明理由：,1) a,1,a,2,，b,1,b,2,； 2) a,1,a,2,，b,1,b,2,；,写出吸附等温线 模型中的L-H模型和Temkin模型表达式，其中L-H模型包括单分子吸附、解离吸附和多分子同时被吸附（非解离）时的等温线模型式。,综合练习题,说出流化床数学模型中有代表性的第级模型气泡两相模型的基本假定并列出反应为一级不可逆、乳相为全混流时的未转化率模型 。(8分),简要说明描述气-液两相流传质模型的惠特曼模型的基本假定或要点并列出气相量、液相量总括传质系数KG,A,、KL,A,与气膜、液膜传质系数kG,A,、kL,A,和亨利常数H,A,之间的关系式。,有某液相等温二级不可逆反应，如在CSTR中进行，其出口转化率x,A,=0.5，若将反应器的体积扩大到4倍，则出口转化率x,Af,=？ (8分),气-液相反应多半为不可逆反应，其大致需经历包括那些步骤？说出气-液相反应的膜内转化系数和增强系数的物理意义。,综合练习题,有一可逆反应，在某一温度时，其正、逆反应速率常数分别为k,1,=0.5，k,2,=1。问，在该温度下反应转化率可否达到90%？,写出带有短路流的全混流（容积为Vm）模型的E(t)表达式，并给出E(t) t的示意图。,写出等温球形催化剂内进行一级不可逆反应,(-r,A,=kVC,A,)时的扩散-反应方程的微分式和积分式以及有效系数的表达式（其中Thiele模数采用 ）。,综合练习题,四、计算及证明题,3-1. 以纯A为原料（液相）在连续釜式反应器(CSTR)内生产P产物，空时=1h，反应为：,A P，r,P,=k,1,C,A,S，r,S,=k,2,C,A,.,反应速率常数k,1,、k,2,与温度的关系符合阿累尼乌斯方程，指前因子A,1,=4.368105 ，,A,2,=3.5331018 ，反应活化能E,1,=41800J/(molK), E,2,=141000J/(molK)。试求在什么温度下操作P的得率(y,P,)最大？,综合练习题,3-2. 在一PFR反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯，年生产能力为15万吨乙烯：C,2,H,6,C,2,H,4,+ H,2,（设A为C,2,H,6,，B为C,2,H,4,，C为H,2,）,反应按一级不可逆反应对待(忽略副反应),-r,A,=kC,A,，反应器在1100K等温、600kPa恒压下操作,要求乙烷的转化率x,A,达到80%。已知反应活化能为347.3 kJ/mol，1000K时，k=0.0725 ，反应活化能E=347.3kJ/mol。反应气体按理想气体处理，年工作日按330天计算。试设计用50mm、长12m管子并联制作工业规模管式反应器的列管根数和反应器的空时。,综合练习题,3-3某化工车间的主要产品的生产过程是70下进行的等温自催化反应：，已知其速率方程为：-,A,kC,A,C,R,，kmol(m3h)，测得在此温度下的速率常数,k1.512 m3(kmolh)。生产实践证明，反应物料的初始组成按99：1配比时生产效果最好（即C,Ao,0.99 kmolm3, C,Ro,0.01 kmolm3）。该厂要进行技术改造，将料液的处理量即容积流速扩大到o10 m3h、转化率达到x,A,0.99。现拟采用理想反应器或其组合设计有效容积最小的反应装置，请你给提出优化的选型方案(做出正确的计算结果)。,综合练习题,3-4.某一级可逆放热反应,A R,其反应速率式为：-,A,kC,A0,(1-x,A,)k(CR,0,+C,A0,x,A,)，其中:,kk,0,exp-E,1,RT, kk,0,exp-E,2,RT,；,C,A0,、C,R0,为原料中组份A和R的起始浓度，,C,A0,：C,R0,=1,： 。试分别导出变温操作时最优反应温度Topt和平衡温度Te与x,A,的关联式以及Topt与Te之间的依赖关系式,综合练习题,3-5.在CSTR(Vr=490cm3)中,在36下用氨与甲醛制乌洛托品，其化学反应方程式为：4NH,3,(A)6HCHO(B)(CH,2,),6,N,4,6H,2,O反应速率方程为: ，mol/(Ls), 。已知氨水和甲醛水溶液的浓度分别为4.06 mol/L和6.32mol/L，各以1.50cm3/s的流量进入反应器，设该系统的密度恒定。试求氨的转化率x,A,及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度。,3-6在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应：,NH,3,(A)CH,3,OH(B) CH,3,NH,2,(P)H,2,O(S)， ，,CH,3,NH,2,CH,3,OH (CH,3,),2,NHH,2,O， ，P为主产物，C,P0,=0。,这两个反应对各自的反应物均为一级（反应速率如上），已知在该反应温度下,k,2,/k,1,。试求一甲胺的最大得率y,P,和与之相应的氨的转化率。,综合练习题,3-7. 气相二级不可逆反应A3R，在压力为5kg/cm2、350和容积进料速率,0,=1.1110-3m3/s下，流入内径为0.025m、长为2m的管式平推流反应器中，此时可以获得0.60的转化率。为了设计处理能力为8.8910-2m3/s的工业反应器，若此时原始物料中含有50%的A和50%的惰性物料，压力为25 kg/cm2、温度仍为350，要求转化率达到0.90，试求需要内径为0.025m、长度为2m的管子多少根？,3-8.气相可逆反应A + B R的速率方程为： , mol/(hm )。式中 k1.2610-4exp(-21.810 /RT)，mol/(m hPa2)；,K,P,7.1810-7exp(29.610 /RT)，Pa-1；已知p,A0,p,B0,0.5 kg/cm2=0.506625105Pa，,p,R0,0，总压力p1.0 kg/cm2=1.01325105Pa。,试求最优温度Topt与转化率x,A,的函数表达式。,综合练习题,4-1已知一等温闭式液相反应器的停留时间分布密度函数E(t)=16te ,min ，试求：,平均停留时间；空时；停留时间小于1 min的物料所占的分率；,停留时间大于1 min的物料所占的分率；,若用多级CSTR串联模型来拟合时的模型参数N；,用轴向扩散模型来拟合（闭-闭式边界条件）时的模型参数Pe；,若反应物料为微观流体且进行一级不可逆反应时，其速率常数k=6min-1，C,A0,=1mol/L，试分别采用多级CSTR串联模型和轴向扩散模型(闭-闭式边界条件)计算反应器出口转化率；,若反应物料为宏观流体(即凝集流模型，其他条件同上)，试估计反应器出口转化率。,综合练习题,4-2 .设F()E()分别为闭式流动反应器的停留时间分布函数和密度函数,为对比时间。,若反应器为平推流反应器，试求：F(1)；E(1)；F(0.8)；E(0.8)；E(1.2)。,若反应器为全混流反应器，试求：F(1)；E(1)；F(0.8)；E(0.8)；E(1.2)。,若反应器可用层流模型拟合，试求：E()；F()；E(0.5)；F(1)；F(0.5)。,若为一个三釜(等釜)串联模型，试求： ； ；E(1)；,若反应器为一非理想流动反应器，试求：,F()；F(0)；E()； ； 。,综合练习题,4-3. 在一管式反应器内进行液相二级不可逆反应，其速率方程为 -r,A,k (k0.05h-1)。流体的进料速率为V,o,0.25m3/h，反应器的有效容积为V,R,0.5m3，原料液中A 的起始浓度 C,Ao,5.0 mol/m3，试求：, 当反应流体在器内作层流流动且不存在径向和轴向混合过程时，反应器出口平均转化率x,A,；, 当反应流体在器内呈平推流时出口处的x,A,；, 当反应流体在器内呈全混流时出口处的x,A,。,综合练习题,4-如右图所示的流动系统中，流经第二个釜V,2,的流体分率为，两釜均为全混流，体积分别为V,1,、V,2,。试求：,假定 ,求：,当用脉冲示踪法进行试验时该系统的E(t)；,该系统的平均停留时间 ；,该系统的 ；,计算在上述情况下进行一级不可逆反应时反应装置的出口转化率；,假定 ，求：,该系统的E(t)；该系统的平均停留时间 ；,该系统的 ；,假定 且=V,2,/(V,1,+V,2,)时, 求整个流动系统的E(t)。,该系统的平均停留时间 ；,该系统的,综合练习题,图1：组合装置流动系统示意图(4-4),F，C(t),F,(1-a),F,a,F,图1：组合装置流动系统示意图,综合练习题,5-1假定铁催化剂上氨合成反应为N,2,为解离吸附控制，且H,2,不吸附。试利用焦姆金公式导出该反应的幂函数型动力学方程。,6-1. 用中间间接冷却的两段式绝热床进行某催化氧化反应，所用催化剂为载于硅胶上的V,2,O,5,，化学反应计量方程为：,SO,2,2,(B) SO,3,(R),其反应动力学方程为： ，mol /(sgcat),其中，k,1,=5.4110,-3,exp-129791/RT，k,2,=7.4910,4,exp-224412/RT。进料的分子组成为：A 8.0%，B 13.0%，N,2,79.0%；进料的摩尔流量为243kmol/h，,综合练习题,总压为p=1.0132510,5,Pa；第一级进气温度为370，出气温度为560；第二级进气温度为370；A的总转化率x,A,=99%。如在此温度范围内，混合气的比热c,p,可认为基本不变，并等于1.045 J/gK；反应热焓与温度的关系为：,H,(kJ/mol)=-102.98.3410-3T。床层密度r,B,=0.6g/cm3，反应器直径为1.825m，气体常数R=8.314J/molK。求：,速率常数k,1,，k,2,的单位；膨胀因子d,A,；,反应组分的初始摩尔分率y,i0,和当A的转化率为x,A,时相关组分的摩尔分率y,i,；,进料气体的平均分子量；,整理并写出该系统的速率方程式(-r,A,)=k(T)f(x,A,)；,整理并写出该反应装置的绝热线方程式T=f(x,A,)；,整理并写出该反应装置关键组分A的转化率x,A,随床层高度l变化的微分方程；,写出该反应装置关键组分A的转化率x,A,随床层高度l变化的差分方程。,综合练习题计算题参考答案,解：,显然 ， ， 分别对组分A、P进行物料衡算，有：,，由此可得 (1),考虑到CP0=0，则 （2） 将(1)代入(2)可得主产物P的得率 (3),由,(注： ),即有： ，,综合练习题计算题参考答案,整理得：,(4), (5),代入有关数据得 。,注：由题设条件=1,亦可在式处将=1代入，式简化为 ,后续步骤同上。,综合练习题计算题参考答案,解：先进行有关参数整理：由题设条件可知：y,A0,=1，,A,=（2-1）/1=1。该反应器的乙烯(M,P,=28kg/kmol)产出量相当于乙烯的摩尔流率(流出量)为： (kmol/s)；换算为乙烷的摩尔流率(流入量或处理量)为：F,A0,= F,B,/ x,A,=0.188/0.8=0.235 (kmol/s)；由 ,初始(F,0,=F,A0,，恒压)： ；,则；,又；, ，或 ，则 ；,计算1100K时的速率常数 ,代入有关数据得:,综合练习题计算题参考答案,由设计方程有： ；,所需列管根数： ；,空时 (s)。,*或先算出空时,再求体积亦可：,;,综合练习题计算题参考答案,3.3.,解：,整理速率方程：,= C,R0,/C,A0,=0.02/200=0.01， 则C,R0,=C,A0,。,由计量方程知：,C,A,=C,A0,(1x,A,)，C,R,=C,R0,+C,A0,x,A,= C,A0,(+x,A,)，,代入速率方程中，则有,；,综合练习题计算题参考答案,依据动力学方程选择反应器型式,由 ，得曲线存在极小值即对应的最低点的转化率值正是反应速率为最大时对应的转化率值 。,由此亦可知，属于1/(-r,A,)x,A,之曲线上存在最低点，故采用全混流后串接一平推流为最佳组合，取最低点对应的转化率x,A,=0.495作为全混流的出口转化率即为最优；而后一级的平推流进口转化率即x,A,=0.495，出口转化率x,Af,=0.95。,综合练习题计算题参考答案,计算反应器的体积：,*CSTR： ;,PFR：;,V*=V,1,+V,2,=6.42+9.67=16.09（m3）即为所求。,综合练习题计算题参考答案,*CSTR： ;,PFR：,V*=V,1,+V,2,=12.96+30.46=43.42（m3）即为所求。,综合练习题计算题参考答案,解：反应速率最大时的(最优)温度Topt：,由已知条件有：C,A,=C,A0,(1-x,A,)，C,R,=C,R0,+C,A0,x,A,= C,A0,(+x,A,)，则该一级可逆放热反应的速率方程为：-,A,kC,A0,(1-x,A,)kC,A0,(+x,A,) (1),将式(1-1)对T求偏导数、并令其等于零，即：,，则有,(2-1),或写作： (2-2),综合练习题计算题参考答案,平衡温度Te：因为在反应达到平衡时 ，令式(1-1)等于零所解得的温度即为平衡温度Te：,(3-1),或写作：,(3-2,),综合练习题计算题参考答案,最优温度Topt与平衡温度Te之间的关系式：显然有：,即 ，,或写作,(4),综合练习题计算题参考答案,解：由题设条件知，反应物料氨水和甲醛水溶液以等流量进入反应器后的浓度相当于稀释了一倍，即C,A0,2.03mol/L，C,B0,3.16 mol/L；反应混合物料的容积流速,0,=3.0cm3/s。,而， ，, ；,综合练习题计算题参考答案,即 ，,用试差法解之（参见下表）有：,故取x,A,=0.823；C,A,2.03(10.823)=0.3593 mol/L，C,B,3.163.0450.8230.6540 mol/L,x,A,左边=,右边=1.077,备注(D=右边左边),0.80,1.0736,1.077,0.0034,0.82,1.07658,1.077,0.00042,0.823,1.07698,1.077,0.00002,综合练习题计算题参考答案,解：按恒容反应处理。氨(A)为关键组分 ，,(得率yP=CP/CA0)；,， ；,一甲胺的瞬时收率 ，而 ， ，,则有,（1),综合练习题计算题参考答案,解该一阶线性常系数微分方程（初值条件为x,A0,=0，y,P,=0），其通解为：,代入初值条件，得积分常数I=1/(1k,2,/k,1,)，,(2),综合练习题计算题参考答案,求一甲胺的最大得率及相应的转化率：,则有 ，,进而可得： (3),已知k2/k1=0.68，, ；将其代入式可得,一甲胺的最大得率： ，即44.06%,。,综合练习题计算题参考答案,解：设单管式反应器有效容积为V,1,，拟设计的多管反应器的容积为V,2,，显然V,2,=nV,1,，或 。第一种情况：y,A0,=1，,A,=2；,；则 ；,综合练习题计算题参考答案,同理，在第二种情况时：y,A0,=0.5，,A,=2，p,A2,=p,2,y,A0,=0.525（kg/cm2）,综合练习题计算题参考答案,代入有关数值可得：,。,其它方法如先求速率常数k再求t、V、n略。,由于并联时各个(管)反应器的进口浓度相等且等于CA0，即是在较高的进口浓度下反应；而采用串联装置时，是在逐级降低浓度的情况下进行反应，自然转化/反应程度要低于并联装置时，所以，串联装配的反应器的总出口转化率要低于并联装配时，故采用并联结构。,综合练习题计算题参考答案,解：由已知条件可知,A,=（1-2）/1= -1；y,A0,=0.5；系统的总压记作p，则,；,；,由给出速率常数kk,0,e-E/RT， 知k,0,=1.2610-4，E21.8103 J/mol；,由平衡常数参数式 可知KP,0,=7.1810-7，-E,P,29.6103 J/mol；,由 ，即 (1),最优反应温度即反应速率最大时对应的温度，就式(1)对T求偏导数并令其等于零：,综合练习题计算题参考答案, ，,由 ，,即,即,， ，,综合练习题计算题参考答案,两边取对数，即可得所求之最优反应温度Topt与转化率xA的函数表达式： ,代入有关数值其中p1.01325105Pa，R=8.314J/(molK)得：,或写作：,综合练习题计算题参考答案,解：,.因为是闭式系统，故。,空速为空时的倒数，故v,s,=1/=2(min-1).,F(1)= ，,即停留时间小于1min的物料所占分率为90.84%。,由1F(1)=10.9084=0.0916，即停留时间大于1min的物料所占分率为9.16%。,综合练习题计算题参考答案,先求 ： ,则。, =0.5，,返混程度较大，扩散模型参数Pe与方差的关系式为 ，,即：0.25Pe2Pe + 1=e-Pe采用试差法求解，,即Pe=2.56.,综合练习题计算题参考答案,采用多釜串联模型： ，,所以有x,A,=1-0.16=0.84。,采用轴向扩散模型（DM）：已求得Pe=2.56，,则 ,代入,有 ,x,A,=1-0.1417=0.8583。,综合练习题计算题参考答案,解：,因为是平推流反应器，故符合理想流动PFR模型的停留时间分布，所以：,F(1)=1.0；E(1)=；F(0.8)=0；E(0.8)=0；E(1.2)=0。,因为是全混流反应器，故符合理想流动CSTR模型的停留时间分布，所以：,F(1)=1e-1=0.6321；E(1)=e-1=0.3679；F(0.8)=1e-0.8=0.5507；E(0.8)=e-0.8=0.4493；E(1.2)=e-1.2=0.3012。,如用层流模型来拟合，则 ， ，故有,E()=0；F()=1；E(0.5)=4；F(1)=0.75；F(0.5)=0。,因为是非理想流动反应器，故知：,F()=1；F(0)=0；E()=0； ； 。,综合练习题计算题参考答案,(p103例3-2-1)解：本反应属于恒温、恒容反应，对于 ，即 ，,积分可得：