化学反应工程纸质作业答案

1、第一章（摩尔衡算）作业答案：P1-11A 在一个连续流动的反应器中反应：等温进行，计算当进料的摩尔流率为5mol/h, 假设反应速率-rA为：（a） -rA=k， k=0.05mol/h.L 时（b） -rA=kCA， k=0.0001s-1 时（c） -rA=kCA2， k=3 L/mol.h 时消耗99%的组分A（即CA=0.01CA0）时，对CSTR和PFR反应器需要的反应器体积。进料的体积流量为10L/h。注意：FA=CAv。当体积流量恒定时，v=v0, 因此，FA=CAv0。故CA0=FA0/v0=（5 mol/h）/(10L/h)=0.5mol/L。解：（a）在CSTR中，组分A的

2、摩尔平衡方程为：对PFR，组分的摩尔平衡方程为：摩尔流率与体积流率之间的关系：由于体积流率v恒定，故有：对零级不可逆反应，反应速率可写为：将rA代入方程得到：整理得：反应器入口的条件：当V=0 时 CA=CA0对上式子积分： 给出方程： 将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得：（b）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：根据（a）中PFR的求解方法，得出一级不可逆反应的V的表达式：将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：（c）在CSTR中，组分A的摩尔平衡方程为：根据（a）中PFR的求解方法，得出二级不可逆反应的V的表达式：将CA0、CA、v和k的数值代入方程，得到：第二章（转化率和反应

3、器尺寸）作业答案：在体积为2.5 m3的理想BR中进行液相反应：，反应温度维持在75，实验测定反应速率方程为：，求：（1）反应器中A的转化率达80%时所需的时间。（2）上述反应在PFR中进行，A的转化率达80%时所需反应器体积。（3）上述反应在CSTR中进行，A的转化率达80%时所需反应器体积。（4）上述反应在两个串联的PFR中进行，A的转化率分别为50和80%时所需反应器体积。（5）上述反应在两个串联的CSTR中进行，A的转化率分别为50和80%时所需反应器体积。解：由于A和B的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程中CACB，所以反应速率可表达为（1）由BR设计方程

4、可得反应所需的时间为：（2）由CSTR的设计方程可得反应器的体积为：（3）由PFR的设计方程可得反应器的体积为：（4）由PFR的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：当转化率由50到80时所需反应器的体积为：（5）由CSTR的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：当转化率由50到80时所需反应器的体积为：第三章（速度定律和化学计量方程）作业答案：P3-12A（1）将作为计算的基准，建立等压等温流动系统中等摩尔和进料时下列反应的完整的化学计量表。（2）如果入口总压为16.4atm，入口温度为1727，计算的转化率为60%时氨和氢气的浓度。（3）如果将作为计算的基准，的转化率能达到60

5、%吗？解：（1）以作为计算基准，化学反应式整理为：化学计量表为：组分符号初始量变化量剩余量ABC0T（2）由理想气体定律可得入口处A的浓度为：对于反应，入口处：FA0FB0，则yA00.5，所以由于压力和温度保持不变，（3）以作为计算基准，化学反应式整理为：，yA00.5，所以不能小于0，所以以作为计算基准，的转化率不能达到60%。第四章（等温反应器设计计算）作业答案：P4-12B在一个等温管式（活塞流）反应器中，发生不可逆气相基元反应。反应物A和稀释剂C以等摩尔比加入，并且A的转化率为80 %。如果A的摩尔进料流率减少一半，假设C的进料流率保持不变，那么A的转化率为多少？假设气体的理想性和反

6、应器的温度保持不变。解：对于不可逆气相基元反应，整理为膨胀因子0.5-1-0.5对于二级反应，由课本P147公式（4-17）得：第一种情况下：因为，所以第二种情况下：因为，所以所以， （1）代入已知量，整理得到： （2）把式（1）/式（2），整理得：代入，试差得：0.76可见当A的摩尔进料流率减少一半，而C的进料流率保持不变，A的转化率为76。第六章（复合反应）作业答案：1. 在一定的反应温度下A发生下述平行反应： 其中R是主产物，S是副产物。反应原料为纯的反应物A，其初始浓度为10 kmol/m3。（1）计算A的转化率为80%时的瞬时选择性。（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应

7、过程的选择性？解： （1）根据瞬时选择性的定义：当A的转化率为80%，CACA0（1-0.8）2 kmol/m3，（2）由于，所以在反应过程中，为了使S尽可能大，需要使A的浓度尽可能低，为此可以采用以下方法：（a）采用CSTR反应器（b）加入惰性物质稀释进料（c）如果反应为气相反应，采用低压操作2. 在一个间歇反应器中进行连串一级不可逆等温反应：反应过程体积不变化，为主产物，为副产物。已知k11.0 h-1，k20.5 h-1，入口为纯进料，计算该连串反应所能达到的最优转化率和最优转化时间。解：对于一级连串反应，其最优转化率最优转化时间第十章（多孔催化剂的扩散和反应）作业答案：P12-4B 在

8、不同温度、流速和颗粒尺寸时，在微分填充床反应器中发生反应：，结果见图P12-4。（1） 在什么条件下（dp、T、FTO）外扩散成为控制步骤？（2） 哪些区域为反应速率控制？（3） 哪些区域为内扩散控制？（4） 在T400，dp0.8cm时内扩散有效因子为多少？图P12-4解：（1） 在T400K，FTO <2500mol/s条件下外扩散成为控制步骤。（2） 在T300K，dp<0.8cm和T400K，FTO >2500mol/s，dp<0.1cm区域为反应速率控制。（3） 在T400K，FTO >2500mol/s，0.1cm < dp <0.8cm区

9、域为内扩散控制。（4） 在T400，dp0.8cm时，内扩散有效因子：2、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据：No.粒径dp出口反应物浓度CA转速N反应速率rA10.518004211800432180024213002（1）请分析该实验装置的外扩散阻力情况？（2）请分析该实验装置的内扩散阻力情况？（3）请分别求出第1组和第3组实验中的内扩散有效因子？解：（1）比较（3）和（4）两组数据可知：当转速改变时，反应速率不变，可见外扩散阻力非常小，外扩散的影响已消除。（2）比较（1）、（2）和（3）三组数据可知：当催化剂粒径由2减小到1时，反应速率发生变化，可见内扩散对反应过程有影响；当催化剂粒径由1减小到0.5时，反应速率不变化，可见内扩散对反应过程无影响。可见，当粒径小于1时，内扩散对反应过程无影响。（3）由定义可知：内扩散有效因子，第（1）组实验中， 第（3）组实验中，3、在球形催化剂上进行一级不可逆反应，催化剂的粒径为2.4mm，气流主体中A的浓度为1mol/m3，测得单位床层表观反应速率(rA)obs2.77×10-5 mol/(cm3.s)，组分A在颗粒内有效扩散系