化学反应工程习题库(计算题举例及详细解答))精编版

1、1.1.若某铁催化剂上氨合成反应速率由氨脱附所控制，并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设表面吸附态有氨及氮，试推演均匀表面吸附动力学方程程。l解：过程由氨脱附所控制， 则 l将上列各式代入， 可得niiNHaNHdNHpkkr113335 . 15 . 0322HNpNHPPKp由题设可知33221111NHNHNNniipbpb33223331NHNHNNNHNHNHpbpbpbkkkbkaaNHd并令由于,35 . 15 . 05 . 15 . 02232232231HNpNHNNNHHNpNHPPkbPbPPPKkr2 2Te

2、mknhTemknh等提出铁催化剂上氨合成反应为下列步骤所组成等提出铁催化剂上氨合成反应为下列步骤所组成 式中式中X X代表活性位。若过程代表活性位。若过程的反应速率由的反应速率由 解离吸附控制，试求不均匀表面动力学方程。解离吸附控制，试求不均匀表面动力学方程。 l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 l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，2NNXXN222XNHHNX3223达到平衡，或应与气相中的32.2NHHNppP3225 .023223HPNHNNNHpPKPpppK及aNNNNNdaNNNNaNPbPbkP

3、bPkr222222222, 0, 0,2, 0,aHpNHNNdaHPNHNNNaPKPbkPKPbPk1322, 0,322, 0,232223222可得并由实验确定及令, 5 .0,)(12,22,0,1222aKkkKbkkaPNdapNNa5 . 125 . 1123322232HNHNHHNNNHPPkPPpkrr3 3若一氧化碳变换反应由下列步骤组成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。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 22) 1 (HOXXOH水解及氧吸附

4、2)2(COXCOOX表面化学反应aoococoopbpkppkr2222,0215 .0建立化学平衡，即及应与气相中OHHoPPp222OHOHppppK2225.0最后可得由实验测得令, 5 . 0;,22, 022, 011aKbkkKbKkkapOapOp5 . 025 . 012222OHHCOHOHCOpppkpppkr4 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：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

5、反应均可以从基元过程直接写出相应的反应速率式。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。36221CHHCK链引发5246232HCCHHCCHK链转移HHCHCK42523链传递522624HCHHCHK）（链终止624210452525HCHCHCHCHCK0236262213CHHCHCCHCCKCKdtdC06262524213HCHHCHCtHCCKCCKddC02642132526262526235

6、2HCHCHHCHCHCCHtHCCKCCKCCKCKddC022515262HCHCCKCK2151)2(6252HCHCCKKC2521352525242HCHCHCHCCKCCKdtdC6262624212151322HCHCHCHCKCCKCKKKdtdC5 5以醋酸（以醋酸（A A）和正丁醇（）和正丁醇（B B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为作温度为 , ,每批进料每批进料1Kmol1Kmol的的A A和和4.96Kmol4.96Kmol的的B B，已知反应速，已知反应速率率 ，试求醋酸转化率，试求醋酸转化率 分别为分别为0.50.

7、5，0.90.9，0.990.99所所需的反应时间。已知醋酸与正丁醇的密度分别为需的反应时间。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: C100)(045. 132hmKmolcrAAAx33/740960kg/mmkg和OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2943943醋酸（A）1Kmol60kg正丁醇（B） 4.96Kmol368kg30.62m960603496.0740368m30.559m0.4960.0625V计算结果表明，转化率从计算结果表明，转化率从0.9

8、0.9提高到提高到0.990.99，反应时间从，反应时间从4.81h4.81h延长到延长到52.9h52.9h，说明大量反应时间花在高转化率。，说明大量反应时间花在高转化率。 l l 分别代入计算可得:l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。ht9 .5299. 0199. 0045. 179. 1199. 0ht81. 49 . 019 . 0045. 179. 119 . 0ht535. 05 . 015 . 0045. 179. 115 . 099.09 .05 .0、将xAfAfAfAxAAAxxkckcdxct

9、Af110020300/79. 1559. 01mKmolVNcAA6.6.生化工程中酶反应生化工程中酶反应 为自催化反应，反应速率式为自催化反应，反应速率式 ，某温度下某温度下 要求要求 A A的最终浓度降到的最终浓度降到 ，当原料的进料量为当原料的进料量为 时，求：（时，求：（1 1）反应速率达到最大时，）反应速率达到最大时，A A的浓度为多少？的浓度为多少？l解（1）l要使反应速率最大 l l即 l化简得 RA RAAckcr min)/(512. 13kmolmk3/01. 0mkmolhm/103)(00AARARAAccckcckcr0AAdcdr0200AmARkckckc300

10、/5 . 0)(5 . 0mKmolcccRAAml（2）在全混流反应器中 l（3）在平推流反应器中（2 2）采用全混流反应器时，反应器体积是多少？）采用全混流反应器时，反应器体积是多少？（3 3）采用平推流反应器时，反应器体积是多大？）采用平推流反应器时，反应器体积是多大？RAfRAAfRfAAfAVccckcVrccV)()()(000030091.1060)01. 01)(01. 0)(512. 1 ()01. 099. 0 (10)1 ()(mckcccVVAfAfAfAR30000013. 111ln2)1 (20mcccckVccdckkVVAmAmAAccAAARAmA（4 4）

11、为使反应器体积为最小，将全混流和平推流反应）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？器组合使用，组合方式如何？其最小体积为多少？l（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。l 全混流反应器体积为l平推流反应器体积为3001216. 0)1 ()(mckcccVVAmAmAmAR30507. 0)1 (mccdckVVAmAfccAAAR321723. 0mVVVRRR所以最小总体积，7 7两个等体积的平推流或全混流反应器形成七种组合，在等温下两个等体积的平推流

12、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平推流反应器与全混流反应器的停留时间 均为均为1min1min，计算其，计算其最终转化率。最终转化率。l解:（a）两个全混流反应器并联，l（b）两个全混流反应器串联，l（c）与（d）全混流反应器与平推流反应器串联,l（e）与（f）两个平推流反应器并联或串联,l（g）平推流反应器与全混流反应器并联,/1,min1,301mkmolckkcrAAA75. 0,/41)1 (,320,bAAbAfxmkmolkcc816. 0,2121,10,dAcAkAdAfcAfxx

13、eekeccc865. 0,/135. 0,3220,fAeAkAfAfcAfxxmkmoleecxx776.0,234.03121)21(21,2020,gAAkAgAfxekcecc67. 0,/3121,30,aAAaAfxmkmolkcc8.8.平行反应平行反应 生成生成P P的反应为主反应，的反应为主反应，P P为主产物，求：（为主产物，求：（1 1）在全混流反应器中）在全混流反应器中所能得到的最大；所能得到的最大；l解： （1）全混流反应器min)/(2.LmolcrPApmin)/(1.LmolrRRmin)/(.2LmolcrSASLmolcA/20ptcAfAPfAfAfAf

14、PffcccccrrsS021222012)2()1 (2AfAfAfAfAfAfAPfcccccccc即0AfPfPfdcdcc最大，则要使LmolcSLmolcPfAf/667.094,/5 .0，出口此时得求：（求：（2 2）在平推流反应器中所能得到的最大；）在平推流反应器中所能得到的最大；l（2）平推流反应器ptcAfAfAcAAAccAPfdcccsdcc22120molccdcccccAAcAAAPfAfPf864. 011)1ln()1 (2, 020202此时最大，上式中要使9.9.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纯苯氯化为串联反应，生成物为一氯苯

15、，副产物为二氯苯反应方程式为的动力学方程的动力学方程l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。l 对于理想混合间歇反应器，HCLCLHCCLCLHCHCLCLHCCLHCKk2462565626621,12. 04012kkC时MLAKK21012. 0112. 00120max749. 012. 0122AAkkkALcckkcc0/ln00090. 0121211AkkkkkAtkAAcececc0max0161. 0AALAAccccc161. 0749. 0090. 0：产物中MLABc在理想混合间歇反

16、应器和理想混合连续反应器中进行上述串联反应，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求主产物一氯苯的最高含量及此时产物浓度分布情况l 对于理想混合连续反应器， BAAAcckdtdcr1BPBAPPcckcckdtdcr21BPSScckdtdcr202120max551.01AALckkcc0211010257. 0111AAmAAckkkckcc0max0912. 0AALAMccccc10.10.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

17、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。不变，试确定物料的平均停留时间分布函数，并计算方差。l解：由下式计算停留时间分布函数l由下式计算平均停留时间l由下式计算方差l具体计算过程见下表 pptcctF00 00ptptmcct 20022mptptttcct时间时间t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080示踪物浓度示踪物浓度/ /（

18、）0 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 0 00 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 0 03/mg时间t/s 0120240360480600720860940108006.512.512.510.55.02.51.00006.519.031.541.546.549.050.050.050.000.130.380.630.830.930.981.001.001.000780300045004800300018008400000.9367.20016.20023.04018.00012.9607.05600 3/mgcp )/(30mgcp

19、t pptcctF00 3/msgctp 2252/10msgctpl计算结果：22230609374045085392004 .3745018720sttm11.11.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：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 A） （B B） （C C） （D D）反应在反应在 等温条件下进行，进料配比为乙酸等温条件下进行，进料配比为乙酸1kgmol1kgmol配丁醇配丁醇4.97kgmol4.97kgmol，并以少量硫酸，并以少量硫酸为催化剂。为催化剂。 l解：计算反应时间二级反应 l乙酸分子量为60，丁醇分子量

20、为74，所以乙酸的浓度为OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2943943C100AfAAfxkcxt10LKgmolcA/018. 07497. 460175. 010Hrt53. 0(min)325 . 010018. 04 .175 . 0当使用过量丁醇时，其动力学方程式为当使用过量丁醇时，其动力学方程式为 式中反应速率常数式中反应速率常数 ，反应在液相进行，反应物密度为反应在液相进行，反应物密度为 。若每天生产。若每天生产2400kg2400kg乙酸丁酯，如要求乙乙酸丁酯，如要求乙酸转化率为酸转化率为50%50%，每批辅助时间为，每批辅助时间为0.5Hr0.5Hr，试计算反应器的有效

21、体积？，试计算反应器的有效体积？l（2）计算有效体积l每天需生产2400kg（P）则每小时乙酸用量为 l每小时所需原料总量为l每小时需处理的原料体积为l所以反应器有效体积为2AAkCrmin4 .17KgmolLKlKg75.0)/(103%506011624002400HrkgHrkg /7347497. 460103103)/(97975.07340HrlV)(10085 . 053. 09790LttVVR12.12.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。同，试计算所需反应器体积。l解：有上题

22、可知l每小时处理原料量为l反应物乙酸的转化率为 l按理想管式反应器计算LKgmolcA/018. 07497. 460175. 010)/(97975. 07340HrlV50. 0Afx LxkcxVVAfAAfR5215 . 010018. 0604 .175 . 0979)1 (0013.13.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，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，反应压力反应压力1.41.4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 0.5 ：

23、1 1（摩尔比），乙烷加料速率为（摩尔比），乙烷加料速率为2020吨吨/ /时，乙烷转化率要求达时，乙烷转化率要求达60%60%，若反应在等温等，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。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。l解：（1）反应为一级不可逆反应时：l乙烷的分子量为30，进料量为20吨/时，l若反应为一级不可逆，则 AfxAAARrdxFV00sec/185.0360030102030KmolFAKcAAAAAAXYXkCr001)()(sec8 .121173987.170200exp10535.11173114KCT

24、（1 1）设反应为一级不可逆反应）设反应为一级不可逆反应（2 2）若反应为一级可逆反应）若反应为一级可逆反应已知：反应速率方程为已知：反应速率方程为 以分压表示的化学平衡常数以分压表示的化学平衡常数l反应起始时，乙烷与水蒸气的摩尔比为1 ：0.5：l所以： RTKkcccKrcSRAA70200exp10535. 1)()(14式中常数以浓度表示的化学平衡CK)(2.3atmPPPKASRP5.1111111)/(1070.9)(5.14.15.0114.1033000AAAAAymKmolRTPcatmpsec)/(5 . 11186. 05 . 11111070. 98 .12)(33mK

25、molxxxxrAAAAA)36 . 00(68. 15 . 11186. 0185. 0mxxdxVAAAR13.13.l（2）若反应为一级可逆反应时AfxCSRAAARKCCcKdxFV00RTkkPC/AfxPSRAARKPPPARTkdxFV00)(AAAAAAAAxxxyxPP5 . 114 . 11100RSAAAAAAARPPxxxyxPP5 .14 .1100AAAAPAAAAAARdxxxxxKxxxxRTKdxFV6.00226.0020)5.1(438.05.111993.0/5.14.15.114.1因上式不易积分，不能直接求区解析值，故采用图解积分法因上式不易积分，不

26、能直接求区解析值，故采用图解积分法令令l将计算关系列于下表l将上列数据作图l由图求得 yxxxxAAA22)5 .1 (438.05 .1100.10.20.30.40.50.6 y 0.6670.56070.46450.37670.29630.22260.1547 1/y 1.51.78322.15272.65443.37404.49180.4632Ax)(8.181.1993.03mVR14.14.在全混反应器中进行下列液相反应在全混反应器中进行下列液相反应过程是连续且稳定的。过程是连续且稳定的。A A与与B B的体积流率均为的体积流率均为4L/min4L/min。且。且A A与与B B的

27、浓度分别为的浓度分别为 。现要求。现要求B B 的转化率为的转化率为75%75%，问反应器体积为多大？，问反应器体积为多大？设反应物料密度不变。设反应物料密度不变。l解 ：由题知，反应器内的反应速率为；SRBAKK12min)/(731kmolmKmin)/(332kmolmK,/6 . 1/8 . 233mkmolmkmol与SRBABAcckcckrr21)()(fBBfBfAAfARrxcVrxcVV00003030/8.026.1/4.128.2mKmolcmKmolcBA33300/6 . 0/2 . 075. 08 . 08 . 0/8 . 075. 08 . 04 . 1mKmo

28、lccmKmolcmKmolxcccSRBBfBAAl代入速率式：min)/(04. 06 . 06 . 032 . 08 . 07)()(3mKmolrrBAmin/008. 0min/8443000mLVVVBA)(12. 0300mrxcVVfBBfBR15.15.在全混反应器中进行下列液相反应在全混反应器中进行下列液相反应 反应物中反应物中ABAB按等摩尔比配成，其反应按等摩尔比配成，其反应速率式为速率式为 其速率常数其速率常数 ，液体加料流率，液体加料流率 反应物浓度为反应物浓度为 ，反应在，反应在 等温条件下进行。当等温条件下进行。当A A的转化率为的转化率为87.5%87.5%时

29、试用解析法求（时试用解析法求（1 1）单个反应器，（）单个反应器，（2 2）两个等体积反应器串联操作及（）两个等体积反应器串联操作及（3 3）三个等体积全混）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？反应器串联操作下，这三种情况的帆婴器体积各为多少？l解： （1）单个反应器，l（2）两个等体积反应器串联RBABAckcrA )/(92. 93skmolmksmV/278. 030300/08. 0mkmolccBAC2532006 .19 mKCCCVVAAfAR2120010011AAAAARXkCXXCVV2220120021AAAAARXkCXXCVV0,021AR

30、RXVV且2212211)1 ()1 (AAAAAXXXXX211122)1)(875. 0(875. 01875. 0AAAAXXXX）故（725. 0.1AX求得0219. 0)1 (101AAAXCC3220100136. 3)1 (mXKCXCVVAAAAR3172. 636. 322mVVR总（3 3）三个等体积全混反应器串联）三个等体积全混反应器串联l可求得；2120010011AAAAARXkCXXCVV2220120021AAAAARXkCXXCVV2320230031AAAAARXkCXXCVV8038. 0,6285. 021AAXX 322160. 16285. 0108

31、. 092. 96285. 008. 0278. 0mVR318.43mVVR总综合练习题综合练习题l一、单项选择题一、单项选择题:l在CSTR中进行一级不可逆恒温恒容串联反应：A P S，若E1E2，k1k2，为提高主产物P的得率Xp，应该选择 ( )l较高浓度 较高温度 较低温度 较低浓度l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( ).l k1/(k2k1)l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V1的小型平推流反应器串联操作,反应器容积的相互关系为 ( )l V2V1 V4V

32、1 V4V1 V4V1l某单一反应，其反应速率的倒数（1/-rA）与关键组分的转化率xA呈单调下降关系，则在同等条件下应优先选择 ( )l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1k2k1k2k21kkln/1k21/1kk综合练习题综合练习题l二级不可逆反应 的容积效率为 ( )l 1 l某反应 A + BR, 其动力学方程式l rkrKAPAKBPB(1+KAPA+KBPB+KRPR)2, 所代表的反应机理式和控制步骤是（ ） l A+ A B + Bl A+B R R R+l催化剂颗粒的体积为VP、外表面积aP、比表面积SV、球形颗粒的外表面积为as，表征其

33、颗粒特征的体积相当直径dV=（ ）l (6VP/)1/3 (ap/)1/2 6/SV aP/VPl常用的催化剂颗粒中气体的有效扩散系数De模型近似计算公式为De=( )l 9700a(T/M)1/2 pDAB/RT220)1 (AAAxkCr)1 (Ax)5 . 01)(1 (AAxx5.0)1(Ax/DP)/1/1/(1KABDD综合练习题综合练习题l表征轴向分散模型的Peclet准数Pe的数值越大，轴向返混程度 ( )l 越大 越小 不变 为零l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 ( )l 越大 越小 不变 为零l在全混流反应器中停留时间大于平均停留时间

34、的流体粒子占全部粒子的百分数( )l 36.79% 63.21% 18.4% 75%l有一平行反应：A P , (主产物)，rPk1 ；l k2 其中k1k2,要提高选择率SP，应选择 ( )l S , (副产物)，rSk2 CA；l提高温度操作 提高CA 操作 降低CA操作 降低温度操作s1k2AC综合练习题综合练习题l三级全混流反应器(等VR)串联操作时,其停留时间分布的散度为 ( )l 1 0 0 1 1l平推流反应器中流体浓度分布的特点是: ( )l 轴向上处处相同,径向上不同; 轴向和径向上处处相同;l 径向上处处相同,轴向上不同; 轴向和径向上处处不同.l在流化床反应器中，从气泡经

35、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(Kbe)b与气泡-气泡晕的交换系数(Kbc)b、气泡晕-乳相间的交换系数(Kce)b三者之间的关系可表示为l ( )l(Kbe)b(Kbc)b(Kce)b； 1/(Kbe)b1/(Kbc)b1/(Kce)b；l(Kbe)b(Kbc)b(Kce)b； 1/KLA=1/HAkGA1/kLA；l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)=kCACB，CB大过量时可视作(-RA)=kCA，则Ha=( )l 或 ； ； ； ;2222MLABLLDkcLL AkDesDkcRzEuLLALAkk 综合练习题

36、综合练习题lK-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; ( )l ； ； ； ；l二二.填空填空:l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 。l反应程度与反应组分i(计量系数为i)的转化率xi的关系为：xi= 。l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FA/mols-1进行物料衡算，则单位时间内输入量FA,in、输出量FA,out、反应消耗量FA,r和积累量FA,b之间的关系即物料衡算式为 ；在连续稳态操作条件下为 。fKAex1kt

37、Aex1)1 ()1 (20XXXiZekZeZeCCfKAex1综合练习题综合练习题l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 。l定常态下气体双组分扩散时综合扩散系数D 。l等温催化剂的有效系数 ；其粒内浓度分布的方程式为： 。l催化剂颗粒的体积为VP、外表面积aP、比表面积SV，表征其颗粒特征的体积相当直径dV= ，面积相当直径da ，比表面相当直径ds= 。l对于反应-rA1 和反应-rA2 速率单位均采用 Kmol/m h，则1的因次为：_，2的因次为：_。bBaAPPk1bBaAC

38、Ck23综合练习题综合练习题l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CA0，转化率为xA，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CA0从1 mol/l增大到2 mol/l,如果出口转化率xA不变,进料体积流量v0必须 。l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 。 综合练习题综合练习题l三.简答题：l简要说明反应器特性和反应器设计的主要任务。l写出单层绝热床的

39、催化剂用量方程、床层高度方程式。l气一固相催化反应过程一般包括哪些步骤? l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，l请写出放热速率线Qg和撤热速率线Qr表l达式，并在图中标注出稳定的定常态点l和可选热稳定操作点。综合练习题综合练习题l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。l (5) (6) 图b: F(t)t曲线图a

40、: E(t)t曲线tttt综合练习题综合练习题l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。l如右图，ABC曲线为某可逆反应的平衡l温度线，DEF为最佳温度线。l 回答以下各题并简要说明理由：l A、B、C三点的反应速率是多少？l D、E、F中哪点的反应速率最快？哪点最慢？l G、M、E、N各点哪点的反应速率最快？ l A、G、H中哪点的反应速率最快？ 综合练习题综合练习题l下列平行反应： AB k1 P，主反应，rp l k2l S 副反应，rsl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：l1

41、) a1a2，b1b2； 2) a1a2，b1b2 ； l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。111bBaACCk222bBaACCk)(iipf综合练习题综合练习题l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)l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KGA、KLA与气膜、液膜传质系数kGA、kLA和亨利常数HA之间的关系式。l有某液相等温二级不可逆反应，

42、如在CSTR中进行，其出口转化率xA=0.5，若将反应器的体积扩大到4倍，则出口转化率xAf=？ (8分) l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。综合练习题综合练习题l有一可逆反应，在某一温度时，其正、逆反应速率常数分别为k1=0.5，k2=1。问，在该温度下反应转化率可否达到90%？l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。l写出等温球形催化剂内进行一级不可逆反应l(-rA=kVCA)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 ）。1/h

43、DkReVs综合练习题综合练习题l四、计算及证明题l3-1. 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：lA P，rP=k1CAl S，rS=k2CA.l反应速率常数k1、k2与温度的关系符合阿累尼乌斯方程，指前因子A1=4.368105 ，lA2=3.5331018 ，反应活化能E1=41800J/(molK), E2=141000J/(molK)。试求在什么温度下操作P的得率(yP)最大？1h1h综合练习题综合练习题l3-2. 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：C2H6 C2H4 + H2（设A为C2H6，B为C

44、2H4，C为H2）l反应按一级不可逆反应对待(忽略副反应),-rA=kCA，反应器在1100K等温、600kPa恒压下操作,要求乙烷的转化率xA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。k1s综合练习题综合练习题l3-3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：-AkCACR，kmol(m3h)，测得在此温度下的速率常数l k1.512 m3(k

45、molh)。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CAo0.99 kmolm3, CRo0.01 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xA0.99。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)。综合练习题综合练习题l3-4.某一级可逆放热反应 A R ,其反应速率式为：-AkCA0(1-xA)k(CR0+CA0 xA)，其中: kk0exp-E1RT, kk0exp-E2RT； CA0、CR0为原料中组份A和R的起始浓度，CA0：CR0=1： 。试分别导出变

46、温操作时最优反应温度Topt和平衡温度Te与xA的关联式以及Topt与Te之间的依赖关系式 kk综合练习题综合练习题l3-5.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：4NH3(A)6HCHO(B)(CH2)6N46H2O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xA及反应器出口物料中氨和甲醛的浓度。l3-6在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应：lNH3(A)CH3OH(B) CH3NH2(P)H2O(S

47、)， ，lCH3NH2CH3OH (CH3)2NHH2O， ，P为主产物，CP0=0。l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k2/k1=0.68。试求一甲胺的最大得率yP和与之相应的氨的转化率。2BAAckcr Tek/309031042. 1BACCkr11PBCCkr221k2k综合练习题综合练习题l3-7. 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

48、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？l3-8.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)；lKP7.1810-7exp(29.610 /RT)，Pa-1；已知pA0pB00.5 kg/cm2=0.506625105Pa，lpR00，总压力p1.0 kg/cm2=1.01325105Pa。l试求最优温度Topt与转化率xA的函数表达式。)/(pRBAAKpppkr3333

49、综合练习题综合练习题l4-1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：l平均停留时间；空时；停留时间小于1 min的物料所占的分率；l停留时间大于1 min的物料所占的分率；l若用多级CSTR串联模型来拟合时的模型参数N；l用轴向扩散模型来拟合（闭-闭式边界条件）时的模型参数Pe；l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，CA0=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；l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。t41t4综合练

50、习题综合练习题l4-2 .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。l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)。l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)。l若反应器可用层流模型拟合，试求：E()；F()；E(0.5)；F(1)；F(0.5)。l若为一个三釜(等釜)串联模型，试求： ； ；E(1)；l若反应器为一非理想流动反应器，试求：lF()；F(0)；E()； ； 。20)(dE0)(dE综合练习题综合练习题l4-3. 在一管式反应器内进行液相二级不可逆反应

51、，其速率方程为 -rAk (k0.05h-1)。流体的进料速率为Vo0.25m3/h，反应器的有效容积为VR0.5m3，原料液中A 的起始浓度 CAo5.0 mol/m3，试求：l 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xA；l 当反应流体在器内呈平推流时出口处的xA；l 当反应流体在器内呈全混流时出口处的xA。2AC综合练习题综合练习题l4-如右图所示的流动系统中，流经第二个釜V2的流体分率为，两釜均为全混流，体积分别为V1、V2。试求：l假定 ,求：l当用脉冲示踪法进行试验时该系统的E(t)；l该系统的平均停留时间 ；l该系统的 ；l计算在上述情况下进

52、行一级不可逆反应时反应装置的出口转化率；l假定 ，求：l该系统的E(t)；该系统的平均停留时间 ；l该系统的 ；l假定 且=V2 /(V1+V2)时, 求整个流动系统的E(t)。l该系统的平均停留时间 ；l该系统的21tt t22和t21tt t22和t21tt t22和t综合练习题综合练习题l图1：组合装置流动系统示意图(4-4)l F，C(t)F1aFaF图1：组合装置流动系统示意图综合练习题综合练习题l5-1假定铁催化剂上氨合成反应为N2为解离吸附控制，且H2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。l6-1. 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

53、于硅胶上的V2O5，化学反应计量方程为：lSO2(A) 0.5O2 (B) SO3(R)l其反应动力学方程为： ，mol /(sgcat)l其中，k1=5.4110-3exp-129791/RT，k2=7.49104exp-224412/RT。进料的分子组成为：A 8.0%，B 13.0%，N2 79.0%；进料的摩尔流量为243kmol/h， 5 . 05 . 021ABRBAApppkppkr综合练习题综合练习题l总压为p=1.01325105Pa；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xA=99%。如在此温度范围内，混合气的比热cp可认为基本不变，

54、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rB=0.6g/cm3，反应器直径为1.825m，气体常数R=8.314J/molK。求：l速率常数k1，k2的单位；膨胀因子dA；l反应组分的初始摩尔分率yi0和当A的转化率为xA时相关组分的摩尔分率yi；l进料气体的平均分子量；l整理并写出该系统的速率方程式(-rA)=k(T)f(xA)；l整理并写出该反应装置的绝热线方程式T=f(xA)；l整理并写出该反应装置关键组分A的转化率xA随床层高度l变化的微分方程；l写出该反应装置关键组分A的转化率xA随床层高度l变化的差分方程。综

55、合练习题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案 l 解：l显然 ， ， 分别对组分A、P进行物料衡算，有：l，由此可得 (1)l考虑到CP0=0，则 （2） 将(1)代入(2)可得主产物P的得率 (3)l由l(注： ), l即有： ，ASPAckkrrr)(21APckr2)1)(210AAAAAxkkxrcc)(1)(2121kkkkxA)1 ()1 ()1 (11010APAPAAPPPPxkyxkyxckcrcc)(1211kkkyP0)(1 )(1 221222211121211kkRTEkRTEkkkkRTEkdTdyP2RTEkdTdk0)(1 2211211EkEkkkE综合练习

56、题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案l整理得：l (4)l (5)l代入有关数据得 。l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。)1(ln) 1() 1()(122021220/121212212EEkRTEEEkeEEkEEkERTE)1/(ln12202EEkREToptKTopt3 .389)141800141000(110533. 3ln314. 814100018)(1211kkkyP综合练习题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案l 解：先进行有关参数整理：由题设条件可知：yA0=1，A=（2-1）/1=1。该反应器的乙烯(MP=28kg/kmol)

57、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：FA0= FB/ xA =0.188/0.8=0.235 (kmol/s)；由 ,初始(F0=FA0，恒压)： ；l则；l又；l ，或 ，则 ；l计算1100K时的速率常数 ,l代入有关数据得:188. 02836002433010157BFRTFptRTpCRTCRTFpAAA/0000013330000582. 3106001100314. 810235. 0smpRTFCFAAA)1 ()1 (),1 (0000AAAAAAAxxyxFFAAAAAxxFFC1100AAAAxxCC110

58、AAAAxxkCr110)11(exp11TTREkk1798. 3,23. 30725. 0)1100110001(314. 8374300exp0725. 0sek综合练习题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案l由设计方程有： ；l所需列管根数： ；l空时 (s)。l*或先算出空时,再求体积亦可：l ;AAAxAAAxAAAAAxAAARdxxkpRTFxdxxkCFrdxFV0000000) 112(1)1 (330682. 28 . 05ln21060023. 31100314. 823511ln2mxxkpRTFAAA（根）1141205. 014. 34682. 212422DV

59、nR749. 0582. 3682. 20V,749. 0 8 . 05ln2 23. 3111ln2 11)1 (1000）（sxxkxdxxkrdxCAAxAAAxAAAAA)(682. 230mVR（根）。所需管子根数为：1141205. 014. 34682. 212422DVnR综合练习题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案l3.3.解：l整理速率方程：l= CR0/CA0=0.02/200=0.01， 则CR0=CA0。l由计量方程知：lCA=CA0(1xA)，CR=CR0+CA0 xA= CA0(+xA)，l代入速率方程中，则有l ；)(1 (20AAAAxxkCr综合练习题计

60、算题参考答案综合练习题计算题参考答案l依据动力学方程选择反应器型式 l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 。l由此亦可知，属于1/(-rA)xA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xA=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xA=0.495，出口转化率xAf=0.95。0)(1(211)1(220AAAAAAxxxkCrdxd495. 02/ )1 (max,Ax综合练习题计算题参考答案综合练习题计算题参考答案l计算反应器的体积：l*CSTR： ; PFR：;lV*=V1+V