化学反应工程第三版课后答案

《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础

2－4

三级气相反应2NO+O2

2NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数

2

kC=2.65×104L2/(mol2s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？

解：原速率方程

rA=

dcA2

cB=2.65×104cA

dt

由气体状态方程有

cA=

代入式（1）

2－5

考虑反应A

课

所以

kp=2.65×104×(0.08477×303)3=1.564

后

当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。

答

pp2

rA=2.65×10AB=2.65×104(RT)3pApB

RTRT

p表示的动力学方程。

解：

.因，

w

w

nAp

=A，微分得RTV

daw

案

2

4

网

pAp

，cB=B

RTRT

3P，其动力学方程为(rA)=

dnAn

=kA。试推导：在恒容下以总压VdtV

δA=

31

=21

dnA1dpA

=

VdtRTdt

代入原动力学方程整理得

w

dpA

=kpAdt

设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义

δA=

nn0nA0nA

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.co

（1）

mol/[Ls(kgf/cm2)3]

m

（1）

则

nA=nA0

1

(nn0)δA

1

(PP0)δA

（2）

恒容下上式可转换为

pA=P0

所以

将式（2）和式（3）代入式（1）整理得

2－6

在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：

C4H10

发生变化，试求下列各项的变化速率。（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。

解：

P=3kgf/cm2，（1）

课

MC4H10=58，

（2）

w

.k

rC2H4=2(rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2s)

PC4H10=PyC4H101dpC4H10

=Pdt

2.4-1

==0.8s3

w

（3）

nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10

dnH2dtdnH2dt

=

hdaw

后

n0=nC4H10,0=δC4H10

rC4H10=

反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2s)的速率

dyC4H10

dt

答

1

rCH=2.4224

w

dnC4H10

dt

案

116×1000

=2000mol582+11==2

1

网

dyC4H10

=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)dt

=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200mol/s

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o

2C2H4+H2，

dP

=k[(δA+1)P0P]=k(3P0P)dt

m

（3）

dpA1dP

=dtδAdt

2－9

反应A

P

S，(r1)=k1cA,(r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0，

cp0=cS0=0,k1/k2=0.2。反应在等温、间歇反应器中进行，过程为恒容过程，求反应产物P的瞬时收率与总收率。

解：

cA=cA0ek1t

k1k2tk1t

c=c(ee)

m

PA0k1k2

k1(eko

c2tek1trPkckkk

)P=r=12P=1212kAk1cAk1e

1t

=1k2

k网

.案

(e(k1k2)t1)1k

2=k1

k答

1k2k1akw

2k(k1k2)t=1.25e4k1t0后

2e.25课

Φdck1kek2tek1t)1k2(P0.25(1e4k1t)P=c=1ek1t

=

A0cAek1t1或由

k

Φh1

P=

cA0cA

∫

cA

cA0

pdcA

计算。

.第三章均相反应过程

3-1

w

w

解：（1）

k=1ln11x=1ln110.7

=0.0926min-1

tA13τ=

1111（2）平推流反应器

kln1x=ln=13minA0.092610.7S11V=

=13

=0.0769min-1τ若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Yhttp://.cn

w

τ=

（3）全混流反应器

xA0.7

==25.2min

k(1xA)0.0926×(10.7)11SV===0.0397min-1

τ25.2

3－2

，已知进料中含30%A

（摩尔分率），其余为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，动力学方程为：(rA)=0.27cA（mol/m3

m

在555K及3kg/cm2下，在平推流反应器中进行反应：s），为达到95%转化率。试求：（1）所需空速是多少？（2）反应器容积大小。

解：

vF0RT=6.3×0.08206×555

0=

o

81×10/1.013×10

=99c.42L/s=0.09942m3p3×9.45/sτ=

1kln11x=1.27ln1网

10.95

=11.1sA0.SV=1/τ=1/11.1=案

0.09s-1

V=v0τ=0.答

w

09942×113－4

后

a.1=1.104m3

均相气相反应d，服从二级反应动力学。在5kg/cm2，350℃和v0=4m3/h下，采

用一个2.5cm内径，2mh长的实验反应器，能获得60%转化率。为了设计工业规模的反应器，当处理量为320m3/h，进料中含50%A，50%惰性物料时，在25kg/cm2和350℃下反应，为获得80%转化率，试求：k

（1）需用2.5cm内径，2m长的管子多少根？（2）这些管子应以并联或串联？

.w

假设流动状况为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。

解：

δ31A=1

=2,yA0=1

w

cA0

=p=5×9.81×1048.314×(350+273)=97.4mol/m3

RTccA0(1xA)cA0(1xA)

A=

1+δ=

AyA0xA1+2xA

2

r22A=kcA=kcA01xA

1+2xA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Yhttp://.cn

w

由设计方程

xAdxV1A

τ==cA0∫=

0rv0kcA0A

∫

0.6

1+2xA

1xdxA

A

2

=

1

kcA0

∫

0.6

321xdxA

A

0.6

2

=

4.905kcm

1=kcA0

9

+x+x12ln(1)4AAx1A0

A0

所以

V=

4.905v0

kc（1）

o

A0

工业反应条件下：

y′p′y′a

0c

A0=0.5，c′A0=

网

RT

=2.5cA.0

c′c′A0(1案

xA)c+δ=0xA

w

′A0

(1xA)A=

1答

Ay′A1+xA2

τ′后

=V′a0.8

d1+xA

课

v′=c′xAdxA

1A00∫0r=Akc′A0

∫

1xdxA

A2

=

1

0.8

hkc′A2

0

∫

1x1AdxA0.8

k

=1

4kc′1x+4ln(1x

A)+xAA0

A0

.=10.36

kc′w

A0

所以

V′=

10.36v′0

kc′（2）

A0

w

比较式（1）和式（2）得：

V′′10.*****V=n=10.364.905cA0c′v0

A0v=0

4.905×2.5×4=67.6≈68根应并联组合。

3－5

丙烷热解为乙烯反应可表示为：C3H82H4+CH4，（忽略副反应）

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w

在772℃等温反应时，动力学方程为：

dpA

=kpA，其中，k=0.4h-1。若系统保证恒压，dt

。求当xA=0.5时，所需平推流反应器的体积。p=1kgf/cm2，v0=800L/h（772℃，1kgf/cm2）

解：因

δA=

cA=

dcpA

，动力学方程可转换为：A=kcA

dtRT

m

1+11

=1,1

yA0=1

ccA0(1xA)cA0(1xA)

A=

1+δ=

AyA0xA1+xAo

τ=

Vv=cxAdxA

10.51+xAA0设计方程

0∫0r=Ak∫01xA

dxA

c=1k∫0.502

1x1A网

.=1案

dxA0.5

k2ln1答

1

xA

w

xA=

1

0.4

后

(2ln20.5)a0

=2.216hV课

=v0τ=800d×2.216=1773L

3－8

一级反应A

P，在一体积为Vp的平推流反应器中进行，已知进料温度为150℃，

活化能为84kJ/mol。今改用全混流反应器，起所需体积为Vm，则Vm/Vp应有何关系？若转化率分别为0.6.和0.9，如要使Vm=Vp，反应温度应如何变化？如反应级数分别为n=2，1/2，-1时，全混流反应器的体积将怎样变化？

w

解：

一级不可逆反应设计方程w

PFR

Vv0p=

kln

1

P1x（A）ACSTR

V=

v0mxAk（B）

m1xA

（1）等温反应kVmxA

P=km，则，

V=p(1xA)ln(1xA)

（2）若Tp=150℃，要求VP=Vm，则有，

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w

E1kmxA1

==exp(1xA)ln(1xA)kpRTTmP

当xA=0.6时，由式（C）求得Tm=159℃当xA=0.9时，由式（C）求得Tm=175.6℃（3）n级不可逆反应设计方程

PFR

（C）

v0

VP=n

1kcn1

11

11xn1m

（D）

A0

ACSTR

Vv0xA

m=

o

kcn1

A0

(1xA)nc（E）

当n=2时

VmV网

=1

1x1pA

.当n=1/2时

Vm案

x1/2V=A=1+(1xA)1答p2[(1xA)1/w

2(1xA)]2(1xA)1/2

当n=－1时

后V课

Vam=2(1xA)

13－10

dp2xA

某一分解反应

P

rp=2cA

A

S1rs1=1

S2

r2

s2=cA

w

已知cA0=1mol/L，且S1为目的产物，求：（1）全混釜；（2）平推流；（3）你所设想的最

w

合适反应器或流程所能获得的S1最高浓度是多少？

解：

（1）CSTR

ΦcS1S1=

c==

1

A0cA

(1+cA)2

∵ccA0cAS1=

(1+c2

A)若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Yhttp://.cn

w

当

cA=0

时，

cS1=cA0=1.0mol/L。cS1=∫dcA=∫

cA0cA

cA0

（2）PFR

cA

1

A

(1+cA)2

=

当cA=0时，

cS1=0.5mol/L。

m

11

1+cA2

（3）采用全混流反应器与分离装置组合，cS1=1.0mol/L。

第四章非理想流动

o

4－2

c脉冲示踪测得如下数据，求E、F。

t/min0

1

2

3

网

.4

5

67

8910c(t)/(g/L)003

案

5

6

w

6

4

3

2

1

解：（1）求C0。

答

∞

后

aC0=∑cit=0

课

ti=30

d

t/min03

***-*****c(t)/(g/L)k

h1

20

3

5

6

6

4

3

2

1

0E(t)000.1

0.167

0.2

0.2

0.133

0.10.0670.0330F(t).00

0.050.1830.3670.5670.7330.850.9330.9831w

tE(t)

00330.30t2E(t)

0.4

1.5

3.2

5

4.8

4.9

4.267

2.7

w

t=4.78min

σ2t=26.34.782=3.46

σ2

σ2t3.46

θ

=

=

t

2

4.78

2

=0.1524-9

有一反应器被用于某一级反应，对该反应器进行示踪――应答试验，在进口出加入δ函数，示踪物在出口处响应为：

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w

t/sc(t)

100

203

305

405

504

602

701

800

已知该反应在全混釜中进行时，在同样τ下，xAf=0.82，求本反应器所能获得的xAf？解：

t/sc(t)C0=***-********-*****02m

701

*****

[0+4×(3+5+2)+2×(5+4+1)+0]=2003

E(t)00.0150.0250.0250.020.01tE(t)00.30.7511

0.6o

0.005

0.35

t2E(t)0

6

22.5

40

50

c36

24.5

xA(t)0．*****．*****.*****.*****.9969.0.*****.*****.9999xAE(t)

0.0135

0.0242网

0.01

0.005

10

3

[0+4×(0.3案

+1+0.6)w

0.02480.0199

t=

+2×(0.75+1+0.35)+0]=39.3sσ2t=

10

[0+答

3

后

4×(6+40+a36)+2×(22.5+50+24.5)+0]39.32=195.5σ课

2=

195.5

θ39.32

d=0.127由CSTR的设计方程

hτ=t=xAf

k(1xAf)所以k

k=

xAf

τ(1x=

0.82

Af)

3×(10.82)

=0.1159s-1

39.w

故

.xA(t)=1e0.1159t

用不同反应时间代入上式计算转化率,并填入表格。

w

xAf=

10

3

[0+4×(0.0135+0.0248+0.01)+2×(0.0242+0.0199+0.005)+0]=0.9714－6一个封闭容器，已知流动时测得Eu/uL=0.2，若用串联的全混流反应器能表达此系统，则串联釜应为多少？

2

σ2=21Pe21

θPe

(1ePe)

解：

=2×0.22×0.22×(1e5)=0.3205

N=

1σ2=1.3205

=3.12≈3θ0若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Yhttp://.cn

w

4-10脉冲示踪测得反应器内停留时间分布数据如题4-9。

进有液液均相反应A+B

产物，已知cA0=cB0，若此反应在平推流反应器中进行，可

得转化率为99%，求（1）用扩散模型时，转化率为多少？（2）假定多级全混流模型可用，求釜的数目及所能达到的转化率。

解：（1）4-9已接得σθ2=0.127，反应器为闭式容器，则由

11

σθ2=22(1ePe)=0.127

2

m

PePe

试差法解得Pe=14.7。

o

由PFR中二级反应的设计方程

τ=

xA

kcA0(1xA)

c得

kcxAA0τ=

案

1x网

.=由kcw

0.99

=99A10.99

A0τ=99，Pe/2=7.35，查图答

4-17a，得1xA=0.018

所以，扩散模型计算的转化率后

dxA=10.018=0.982

（2）多级全混流模型的参数课

N=

1σ2=10.127

=7.87≈8θ由kcA0τ=99h，N=8，查图得，1xA=0.017

w

所以，多级全混流模型计算的转化率xA

=10.017=0.983

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w

5－2（1）

A+

B

+A

+BCσ

AσBσ

催化剂与催化反应动力学

C

σC

+σm

（2

）

A+σ

σ1

B+σo

2B

σ2

Aσ

1+

Bσ2

Cσ2+σ1cCσ2

C+σ2

网

.（3）

A+σ

Aσ

案

B+w

Bσ

Aσ+B

C+σa（4）

B+Bσ

Bσ+ACσ

Cσ

C+σ

5－7

.w

a=

2Vg

S=2εp

2×0.52

g

S=

gρp

350×10×1.06

=2.8×1074

cmw

DK=9700a(T/M)1/2=9700×2.8×107×(773÷120)1/2=6.89×103cm2/sD=

11/D/D=1

≈0.0066cm2/s

AB+1K1/0.155+1/0.00689

D3e=

εpDτ

=

0.52×0.0066

=1.14×10cm23

/s

第六章

固定床反应器

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w

6－1

u=

G*****==4.63m/sρ1.5×3600

3×103×4.63×1.5

===***-*****(1εB)1.8×105×(10.45)

LdS

ReM

dpuρ

1εB

p=1.75ε3

B210.45425ρu=1.75×××1.5×4.63=4.53×10Pa30.450.003

m

6－2

h=0.2271

T3

mo

rV

1+ε100

B1σ（1）

2(1εB)σ

c=0.227×网

1.3

1+

案

0.421×673=69.2W/m2

K

2×(10.42)×1100

1

h0.227σ答3

w

a3

.227后

2σTm

rS=

100

课

=0×d1673221×100

=69.2W/mK

λ0e

hhrVdλ=εpB1ε

1+λB

+12λ

k

1rS+3λSφ+

pλ

λS.w

λ=0.581

0.0546

=10.6查图6-15得φ1=0.17,φ2=0.06

φ=φεB0.26w

2+(φ1φ2)0.216

=0.06+(0.170.06)×0.420.26

0.216=0.128

λ0e

10.42

λ=0.42×69.2×0.00512所以

1+0.0546

+10.128++3×10.6

0.0546

=2.668+4.34=7.01

dp0.005

d=

查图6-14得(αβ)=0.11

t

0.1

=0.05若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Yhttp://.cn

w

Rep=

则

dpuρ

=

0.005×2×1.5

=114.5

13.1×105

λe/λ=λ0e/λ+(αβ)RepPr=7.01+0.11×114.5×0.7=15.83λe=15.83×0.0546=0.886W/mK

（2）

λS

=10.6λ

查图6-15得φW=0.105

m

λW

hrVdλ=εpWε

2+λ+1W

11λ1o

rS+p3

λSφ+

Wλ

cλ0

W69.2网

.10.7

λ=0.7×

2+×0.0050.0546

+111案

+3×

10.6

=5.838+3.175=答

09.013

w

.105+0.0546

1h0d后

a课

=1d0.50

=10.5

=wp/λλ0w

/λλ/λ9.0137.010.0396h*

wdp

λ=CPh1/3

r

R1/2

ep

=4×0.71/3×114.51/2=38.0

hwdp1

λ

=