化学工程基础作业答案

1、 第四章 化学反应工程的基本原理4-2 在一定条件下，SO2催化制取SO3的反应式为： 已知反应器入口处SO2的浓度是7.15%（摩尔分数，下同），出口物料中含SO2 0.48%, 求SO2的转化率。 解： 4-3 已知700、3´105Pa（绝压）下的反应：C4H10 2C2H4 + H2 （A） （B）反应开始时C4H10为116kg。求当反应完成50%时，cA、pA、yA、cB各为多少？ 解：依题意 yA,0 = 1，xA = 50% cA,0 = = = 37.09kmol·m-3 cA = = = 9.27 kmol·m-3 pA = = = 7.5 &

2、#180; 104PayA = = = 0.25kmol·m-3 4-4 乙醇在装有氧化铝催化剂的固定床反应器中脱水，生成乙烯： C2H5OH C2H4 + H2O测得每次投料0.50kg乙醇，可得0.26kg乙烯，剩余0.03kg乙醇未反应。求乙醇转化率、乙烯的产率和选择性。 解：乙醇总消耗量 = 0.50 - 0.03 = 0.47kg 其转化率xA = ´ 100% = 94% 设生成0.26kg乙烯需乙醇a kg a = = 0.427kg 乙烯的选择性 Sp = = 0.909 乙烯的收率 Yp = Sp· xA = 0.909 ´ 0.94

3、= 0.854 4-5 在间歇操作搅拌釜中用醋酸和丁醇反应生产醋酸丁酯，反应式为： CH3COOH + C4H9OH CH3COOC4H9 + H2O （A） (B) （R） （S）已知反应在100下进行，动力学方程为 (-rA)= 2.9 ´10-7cA2mol·m-3·s1。反应物配比为丁醇: 醋酸 4.972 : 1（摩尔比），每天生产醋酸丁酯2400kg（忽略分离损失），辅助生产时间为30min，混合物的密度视为常数。等于750kg·m-3，试求当醋酸的转化率为50时所需反应器的体积大小（装料系数取0.7）。 解：MA = 60 MB = 74

4、MR = 116 cA,0 = ´ 750 = 1.753kmol·m-3 = 1753 mol·m-3 qn,A,0 = = 1.724 kmol·h-1 = 1.724 ´ 103 mol·m-3 qV,0 = = = 0.9835m3·h-1 V = qV,0(tr + t/) = 0.9835 ´ (32.78 + 30) ´ = 1.03m3 VR = =1.47m3 4-6 某气相一级反应A 3R，反应速度常数k = 8.33×10-3s-1，在间歇反应器中进行，初始条件为纯A，总压

5、为101325Pa。问1min后反应器总压为多少？ 解： 依题意 dA = = 2 yA,0 = 1 （1）求在间歇反应器中反应 1min后的xA，f 1 ´ 60 = ln xA,f = 0.393 （2） 在保持反应器体积不变、等温下的变容反应： = P = P0 · = P0 ´ = 101325 ´ (1 + 2 ´ 1´ 0.393) = 1.81 ´ 105Pa4-9 在全混流反应器中进行等温反应AB，测得反应速率(-rA)与cA的关系如下：cA,f(kmol·m-3)123456810(-rA) (k

6、mol·m-3·min-1)12344.74.955（1）若要达到xA,f = 80，反应器体积为0.25m3，cA,0=10kmol·m-3，求进料体积流量。（2）若要达到xA,f = 80，cA,0 = 15kmol·m-3， qV,0 = 1m3·min1，求反应器体积。 （3）若反应器体积为3m3，qV,0 = 1m3·min1，cA,0 = 8kmol·m-3，求反应器出口反应物A的浓度。 解：（1）当cA,f = cA,0（1 - xA,f）= 10 ´ (1 - 0.8) = 2 kmol·

7、m-3 (-rA) = 2 kmol·m-3·min-1 = cA.0 qV,0 = V = 0.25 ´ = 0.0625m3 （2）cA,f = cA,0（1 - xA,f）= 15 ´ (1 - 0.8) = 3 kmol·m-3） (-rA) = 3 kmol·m-3·min-1 V= qV,0 ·cA.0 = 1 ´ 15 ´ = 4m3 （3）t = = 即 = 依据表中数据，可知当 cA,f = 2 kmol·m-3时，(-rA) = 2 kmol·m-3

8、83;min-1，与等式吻合。4-11 高温下二氧化氮的分解为二级不可逆反应，2NO2 = 2NO + O2 现将纯NO2在101325Pa和627.2K下于活塞流反应器中等温分解。已知k = 1.7m3·(kmol·s)-1，气体处理量为120m3·h-1（标态），若NO2分解率为70。求下列两种情况下所需反应体积：（1）不考虑体积变化；（2）考虑体积变化。解：cA,0 = = = 0.0194 kmol·m-3 （1）不考虑体积变化，按等容过程处理 = · = ´ = 70.75s = 0.0197h qV,0 = = 275.7

9、 m3·h-1 V = qV,0 t = 275.7 ´ 0.0197 = 5.42m3 （2）考虑体积变化，为非等容过程 2NO2 = 2NO + O2 dA = = 0.5 yA,0 = 1 dA yA,0 = 0.5 = 1.5ln(1-xA,f) + - 2 + 0.25+ 0.5xA.f = 109.73s = 0.0305h V = 275.6 ´ 0.0305 = 8.4m3 4-12 某气相一级分解反应A 3P，在等温活塞流反应器中进行，加入原料含A50%，含惰性物料50%，物料流过反应器的时间为10min，系统出口体积流量变为原来的1.5倍。求此

10、时A的转化率及该反应在实验条件下的反应速率常数。 解：该反应为等温变容过程 dA = = 2 yA,0 = 0.5 dA yA,0 = 1 （1） qV = qV,0 (1 + dA yA,0xA) 或 = (1 + dA yA,0xA) = 1 + xA = 1.5 xA = 0.5 （2） 物料流过反应器的平均停留时间为 qn,A,0 dxA = (-rA) dV qV = qV,0 (1 + dA yA,0xA) 10 = k = 0.0693min-1 4-13 根据题4-5给出的反应条件和产量，用活塞流反应器生产醋酸丁酯，试求所需反应器的有效体积。并根据题4-5、4-8和本题计算结果

11、，试比较在相同操作条件下，所需三种反应器体积大小顺序。 解：（1） V = 0.9835 ´ = 0.54m3 （2）根据计算结果可知，同一反应在相同条件下，达到同一转化率，所需反应器体积大小顺序为： CSTR > IBR > PFR4-15 已知某均相反应，反应速率为(-rA)= 0.0174CA2（kmol·m-3·min1），cA0=7.14kmol·m-3，物料密度恒定为750kg·m-3, 加料速率为7.14×10-3m3·min1，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？（1）串联两个0.2

12、5m3的全混流反应器；（2）一个0.25m3的全混流反应器，后串联一个0.25m3的活塞流反应器；（3）一个0.25m3的活塞流反应器，后串联一个0.25m3的全混流反应器；（4）串联两个0.25m3的活塞流反应器。解：（1）t1 = t2 = = 35.01min t1 = cA,0 = · 35.01 = · xA,1 = 62.19% t2 = cA,0 = · 35.01 = · xA,2 = 79.85% （2）由（1）知，t1 = 35.01min，xA,1 = 62191% 35.01 = ´（- ） xA,2 = 85.7% （

13、3）t1 = t2 = 35.01min xA,1 = 81.31% t2 = cA,0 = · xA,2 = 87.79% （4） 由（3）知，xA,1 = 81.31% = ·（- ） 35.01 = ´（- ） xA,2 = 89.69% 4-17 一级反应 A B，设计一个等温等压的活塞流反应器，要求达到63.2%转化率，已知原料是纯A，流量为1.5×10-4m3·h-1，在选用的反应温度下, k = 5.01h-1。但是反应器安装后，在操作过程中发现转化率仅达到设计值的92.7%，认为这是由于反应器内的扰动，产生某个区域的返混。若该区

14、域的返混像一个CSTR，则整个反应器可视作PFRCSTRPFR。试估计发生扰动该部分区域占反应器总体积的分率。 解：原设计下： = 0.1995h 实际操作条件下， 由于该反应是一级恒容反应，早、晚混合不影响反应结果，所以可看成是： 或 若按（1）解： PFR中： tp = ln （1） CSTR中：tm = cA,0 = · 则 0.1995 - tp = · 整理得： xA,2 = 0.172 + 2.075tp （2） 联立（1）、（2）式得：xA,2 = 0.35 tm = ´ = 0.1137h = = = 57%4-20 设F(t)、E(t)分别为闭式

15、流动反应器的停留时间分布函数及停留时间分布密度函数，已知反应器体积为4m3，物料体积流量为2m3·min-1。注：q为对比时间，括号中数据为 t。（1）如果该反应器为全混流反应器，试求：(a) F(2) (b) E(2) (c) F(1.8) (d) E(1.8) (e) E(2.2)（2）如果该反应器为活塞流反应器，试求：(a) F(2) (b) E(2) (c) E(1.8) (d) F(1.8) (e) E(2.2)（3）如果该反应器为一非理想流动反应器，试求： (a) F(0) (b) F() (c) E() (d) (e) (e) 解：物料流经反应器的平均停留时间为 且恒容

16、过程 （1）全混流反应器中： (a) F(2)= 0.632 (b) E(2)= 0.184min-1 (c) F(1.8)= 0.593 (d) E(1.8)= 0.203 min-1 (e) E(2.2)= 0.166min-1 （2）活塞流反应器中，所有质点的停留时间相同，且等于平均停留时间，则 (a) F(2)=1 (b) E(2)= (c) E(1.8)= 0 (d) F(1.8)= 0 (e) E(2.2)= 0 （3）非理想流动反应器中： (a) F(0)= 0 (b) F()= 1 (c) E()= 0 (d) = 1 (e)= 2min (e) = 1 4-21 某反应器用脉

17、冲法测得如下表中的数据，试求E(t)、F(t)、及。时间t/min05101520253035404550示踪剂浓度c(t)/g·m-30.02.06.012.012.010.05.02.01.00.50.0解：设反应器内流体流量恒定，且等于qV,0，加入示踪剂量为： Dt同 = qV,0´ 5 ´（2.0 + 6.0 +12.0 + 12.0 + 10.0 +5.0 + 2.0 + 1.0 + 0.5） = 5 ´ 50.5 = 252.5qV,0 列表解得：时间t/min05101520253035404550示踪剂浓度c(t)/g·m-30.02.06.012.012.010.05.02.01.00.50.0t c(t)0.010.06080240250150704022.50.0t2 c(t)0.0506002700480062504500245016001012.50.0E(t)´1030.07.9223.747.547.539.619.87.923.961.980.0F(t)0.00.040.160.400.630.830.930.970.991.001.00 4-22 已知一等温闭式液相反应器的停留时间分布密度函数为 E