化學反應工程習題庫(計算題舉例及詳細解答))

1、化學反應工程習題1.1.若某鐵催化劑上氨合成反應速率由氨脫附所控制，并若某鐵催化劑上氨合成反應速率由氨脫附所控制，并設(shè)表面吸附態(tài)有氨及氮，試推演均勻表面吸附動力學方設(shè)表面吸附態(tài)有氨及氮，試推演均勻表面吸附動力學方程程。l解：過程由氨脫附所控制， 則 l將上列各式代入， 可得niiNHaNHdNHpkkr113335 . 15 . 0322HNpNHPPKp由題設(shè)可知33221111NHNHNNniipbpb33223331NHNHNNNHNHNHpbpbpbkkkbkaaNHd并令由于,35 . 15 . 05 . 15 . 02232232231HNpNHNNNHHNpNHPPkbPbPPP

2、Kkr2 2TemknhTemknh等提出鐵催化劑上氨合成反應為下列步驟所組成等提出鐵催化劑上氨合成反應為下列步驟所組成 式中式中X X代表活性位。若過程代表活性位。若過程的反應速率由的反應速率由 解離吸附控制，試求不均勻表面動力學方程。解離吸附控制，試求不均勻表面動力學方程。 l解：此時表面化學反應達到平衡，即催化劑上吸附態(tài)的吸附平衡分壓 l根據(jù)中等覆蓋度情況下不均勻表面吸附理論，當過程為氮的單組分吸附且為控制步驟時，由式可得，2NNXXN222XNHHNX3223達到平衡，或應與氣相中的32.2NHHNppP3225 .023223HPNHNNNHpPKPpppK及aNNNNNdaNNNN

3、aNPbPbkPbPkr222222222, 0, 0,2, 0,aHpNHNNdaHPNHNNNaPKPbkPKPbPk1322, 0,322, 0,232223222可得并由實驗確定及令, 5 .0,)(12,22,0,1222aKkkKbkkaPNdapNNa5 . 125 . 1123322232HNHNHHNNNHPPkPPpkrr3 3若一氧化碳變換反應由下列步驟組成若一氧化碳變換反應由下列步驟組成而表面化學反應是控制步驟，試推演不均勻表面吸附動力學方程。而表面化學反應是控制步驟，試推演不均勻表面吸附動力學方程。解：可知表面化學反應吸附時由于水解反應達到平衡 22) 1 (HOXX

4、OH水解及氧吸附2)2(COXCOOX表面化學反應aoococoopbpkppkr2222,0215 .0建立化學平衡，即及應與氣相中OHHoPPp222OHOHppppK2225.0最后可得由實驗測得令, 5 . 0;,22, 022, 011aKbkkKbKkkapOapOp5 . 025 . 012222OHHCOHOHCOpppkpppkr4 4乙烷熱裂解，實驗證明，該反應的總速率對乙烷是一級的。假定該反應乙烷熱裂解，實驗證明，該反應的總速率對乙烷是一級的。假定該反應的歷程為：的歷程為：根據(jù)實驗，這個歷程中的單分子反應速率式可表示為其余的反應均可以從根據(jù)實驗，這個歷程中的單分子反應速率

5、式可表示為其余的反應均可以從基元過程直接寫出相應的反應速率式。基元過程直接寫出相應的反應速率式。解：根據(jù)穩(wěn)定態(tài)假定的要求，對于每一個鏈載體凈變化應該為零。即三試相加得: 產(chǎn)物乙烯只是在鏈增長反應中生成，故它生成的速率就是反應的速率。式中的由上面提出的反應歷程，可以說明乙烷裂解反應為一級的。36221CHHCK鏈引發(fā)5246232HCCHHCCHK鏈轉(zhuǎn)移HHCHCK42523鏈傳遞522624HCHHCHK）（鏈終止624210452525HCHCHCHCHCK0236262213CHHCHCCHCCKCKdtdC06262524213HCHHCHCtHCCKCCKddC026421325262

6、625262352HCHCHHCHCHCCHtHCCKCCKCCKCKddC022515262HCHCCKCK2151)2(6252HCHCCKKC2521352525242HCHCHCHCCKCCKdtdC6262624212151322HCHCHCHCKCCKCKKKdtdC5 5以醋酸（以醋酸（A A）和正丁醇（）和正丁醇（B B）為原料在間歇反應器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操）為原料在間歇反應器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為作溫度為 , ,每批進料每批進料1Kmol1Kmol的的A A和和4.96Kmol4.96Kmol的的B B，已知反應速，已知反應速率率 ，試求醋酸轉(zhuǎn)化率，試求醋酸轉(zhuǎn)化率 分別為

7、分別為0.50.5，0.90.9，0.990.99所所需的反應時間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為需的反應時間。已知醋酸與正丁醇的密度分別為 解: （A） （B） （C） （D）對每KmolA而言，投料情況如下表： 該反應為液相反應，反應過程中體積比不變，且每次投料體積為: C100)(045. 132hmKmolcrAAAx33/740960kg/mmkg和OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2943943醋酸（A）1Kmol60kg正丁醇（B） 4.96Kmol368kg30.62m960603496.0740368m30.559m0.4960.0625V計算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化率從計算結(jié)果表明

8、，轉(zhuǎn)化率從0.90.9提高到提高到0.990.99，反應時間從，反應時間從4.81h4.81h延長到延長到52.9h52.9h，說明大量反應時間花在高轉(zhuǎn)化率。，說明大量反應時間花在高轉(zhuǎn)化率。 l l 分別代入計算可得:l計算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化率從0.9提高到0.99，反應時間從4.81h延長到52.9h，說明大量反應時間花在高轉(zhuǎn)化率。ht9 .5299. 0199. 0045. 179. 1199. 0ht81. 49 . 019 . 0045. 179. 119 . 0ht535. 05 . 015 . 0045. 179. 115 . 099.09 .05 .0、將xAfAfAfAxAAAxx

9、kckcdxctAf110020300/79. 1559. 01mKmolVNcAA6.6.生化工程中酶反應生化工程中酶反應 為自催化反應，反應速率式為自催化反應，反應速率式 ，某溫度下某溫度下 要求要求 A A的最終濃度降到的最終濃度降到 ，當原料的進料量為當原料的進料量為 時，求：（時，求：（1 1）反應速率達到最大時，）反應速率達到最大時，A A的濃度為多少？的濃度為多少？l解（1）l要使反應速率最大 l l即 l化簡得 RA RAAckcr min)/(512. 13kmolmk3/01. 0mkmolhm/103)(00AARARAAccckcckcr0AAdcdr0200AmARk

10、ckckc300/5 . 0)(5 . 0mKmolcccRAAml（2）在全混流反應器中 l（3）在平推流反應器中（2 2）采用全混流反應器時，反應器體積是多少？）采用全混流反應器時，反應器體積是多少？（3 3）采用平推流反應器時，反應器體積是多大？）采用平推流反應器時，反應器體積是多大？RAfRAAfRfAAfAVccckcVrccV)()()(000030091.1060)01. 01)(01. 0)(512. 1 ()01. 099. 0 (10)1 ()(mckcccVVAfAfAfAR30000013. 111ln2)1 (20mcccckVccdckkVVAmAmAAccAAAR

11、AmA（4 4）為使反應器體積為最小，將全混流和平推流反應）為使反應器體積為最小，將全混流和平推流反應器組合使用，組合方式如何？其最小體積為多少？器組合使用，組合方式如何？其最小體積為多少？l（4）反應器的組合形式及最小體積 要使反應器體積最小，從CA0到Cam應該用全混流反應器，而后從Cam到CAf串聯(lián)一個平推流反應器。l 全混流反應器體積為l平推流反應器體積為3001216. 0)1 ()(mckcccVVAmAmAmAR30507. 0)1 (mccdckVVAmAfccAAAR321723. 0mVVVRRR所以最小總體積，7 7兩個等體積的平推流或全混流反應器形成七種組合，在等溫下兩

12、個等體積的平推流或全混流反應器形成七種組合，在等溫下進行一級不可逆反應，反應速率進行一級不可逆反應，反應速率 平推流反應器與全混流反應器的停留時間平推流反應器與全混流反應器的停留時間 均為均為1min1min，計算其，計算其最終轉(zhuǎn)化率。最終轉(zhuǎn)化率。l解:（a）兩個全混流反應器并聯(lián)，l（b）兩個全混流反應器串聯(lián)，l（c）與（d）全混流反應器與平推流反應器串聯(lián),l（e）與（f）兩個平推流反應器并聯(lián)或串聯(lián),l（g）平推流反應器與全混流反應器并聯(lián),/1,min1,301mkmolckkcrAAA75. 0,/41)1 (,320,bAAbAfxmkmolkcc816. 0,2121,10,dAcAkA

13、dAfcAfxxeekeccc865. 0,/135. 0,3220,fAeAkAfAfcAfxxmkmoleecxx776.0,234.03121)21(21,2020,gAAkAgAfxekcecc67. 0,/3121,30,aAAaAfxmkmolkcc8.8.平行反應平行反應 生成生成P P的反應為主反應，的反應為主反應，P P為主產(chǎn)物，求：（為主產(chǎn)物，求：（1 1）在全混流反應器中）在全混流反應器中所能得到的最大；所能得到的最大；l解： （1）全混流反應器min)/(2.LmolcrPApmin)/(1.LmolrRRmin)/(.2LmolcrSASLmolcA/20ptcAfA

14、PfAfAfAfPffcccccrrsS021222012)2()1 (2AfAfAfAfAfAfAPfcccccccc即0AfPfPfdcdcc最大，則要使LmolcSLmolcPfAf/667.094,/5 .0，出口此時得求：（求：（2 2）在平推流反應器中所能得到的最大；）在平推流反應器中所能得到的最大；l（2）平推流反應器ptcAfAfAcAAAccAPfdcccsdcc22120molccdcccccAAcAAAPfAfPf864. 011)1ln()1 (2, 020202此時最大，上式中要使9.9.純苯氯化為串聯(lián)反應，生成物為一氯苯，副產(chǎn)物為二氯苯反應方程式為純苯氯化為串聯(lián)反應

15、，生成物為一氯苯，副產(chǎn)物為二氯苯反應方程式為的動力學方程的動力學方程l解： 由動力學方程可知，動力學方程各項中均有氯氣濃度 ，計算過程中可消除，可用上述推導的一級串聯(lián)反應 形式的計算公式可進行。l 對于理想混合間歇反應器，HCLCLHCCLCLHCHCLCLHCCLHCKk2462565626621,12. 04012kkC時MLAKK21012. 0112. 00120max749. 012. 0122AAkkkALcckkcc0/ln00090. 0121211AkkkkkAtkAAcececc0max0161. 0AALAAccccc161. 0749. 0090. 0：產(chǎn)物中MLABc

16、在理想混合間歇反應器和理想混合連續(xù)反應器中進行上述串聯(lián)反應，在理想混合間歇反應器和理想混合連續(xù)反應器中進行上述串聯(lián)反應，求主產(chǎn)物一氯苯的最高含量及此時產(chǎn)物濃度分布情況求主產(chǎn)物一氯苯的最高含量及此時產(chǎn)物濃度分布情況l 對于理想混合連續(xù)反應器， BAAAcckdtdcr1BPBAPPcckcckdtdcr21BPSScckdtdcr202120max551.01AALckkcc0211010257. 0111AAmAAckkkckcc0max0912. 0AALAMccccc10.10.達到定態(tài)操作的反應器進口物料中，用脈沖法注入示蹤有色物料，于出達到定態(tài)操作的反應器進口物料中，用脈沖法注入示蹤有

17、色物料，于出口用比色法測定有色示蹤物濃度歲時間變化，見下表。設(shè)過程中物料密度口用比色法測定有色示蹤物濃度歲時間變化，見下表。設(shè)過程中物料密度不變，試確定物料的平均停留時間分布函數(shù)，并計算方差。不變，試確定物料的平均停留時間分布函數(shù)，并計算方差。l解：由下式計算停留時間分布函數(shù)l由下式計算平均停留時間l由下式計算方差l具體計算過程見下表 pptcctF00 00ptptmcct 20022mptptttcct時間時間t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080示蹤物濃度示蹤

18、物濃度/ /（ ）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時間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 )

19、/(30mgcpt pptcctF00 3/msgctp 2252/10msgctpl計算結(jié)果：22230609374045085392004 .3745018720sttm11.11.在在攪拌良好的間歇反應器中，用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯，反應式為：在在攪拌良好的間歇反應器中，用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯，反應式為： （A A） （B B） （C C） （D D）反應在反應在 等溫條件下進行，進料配比為乙酸等溫條件下進行，進料配比為乙酸1kgmol1kgmol配丁醇配丁醇4.97kgmol4.97kgmol，并以少量硫酸，并以少量硫酸為催化劑。為催化劑。 l解：計算反應時間二級反應 l乙酸分子量為

20、60，丁醇分子量為74，所以乙酸的濃度為OHHCOOCCHOHHCCOOHCH2943943C100AfAAfxkcxt10LKgmolcA/018. 07497. 460175. 010Hrt53. 0(min)325 . 010018. 04 .175 . 0當使用過量丁醇時，其動力學方程式為當使用過量丁醇時，其動力學方程式為 式中反應速率常數(shù)式中反應速率常數(shù) ，反應在液相進行，反應物密度為反應在液相進行，反應物密度為 。若每天生產(chǎn)。若每天生產(chǎn)2400kg2400kg乙酸丁酯，如要求乙乙酸丁酯，如要求乙酸轉(zhuǎn)化率為酸轉(zhuǎn)化率為50%50%，每批輔助時間為，每批輔助時間為0.5Hr0.5Hr，試

21、計算反應器的有效體積？，試計算反應器的有效體積？l（2）計算有效體積l每天需生產(chǎn)2400kg（P）則每小時乙酸用量為 l每小時所需原料總量為l每小時需處理的原料體積為l所以反應器有效體積為2AAkCrmin4 .17KgmolLKlKg75. 0)/(103%506011624002400HrkgHrkg /7347497. 460103103)/(97975.07340HrlV)(10085 . 053. 09790LttVVR12.12.在管式流動反應器中生產(chǎn)醋酸釘酯，若操作條件和產(chǎn)量上題相在管式流動反應器中生產(chǎn)醋酸釘酯，若操作條件和產(chǎn)量上題相同，試計算所需反應器體積。同，試計算所需反應器

22、體積。l解：有上題可知l每小時處理原料量為l反應物乙酸的轉(zhuǎn)化率為 l按理想管式反應器計算LKgmolcA/018. 07497. 460175. 010)/(97975. 07340HrlV50. 0Afx LxkcxVVAfAAfR5215 . 010018. 0604 .175 . 0979)1 (0013.13.在一管式流動反應器中進行乙烷熱裂解制乙烯的反應，反應式為，反應溫度為，在一管式流動反應器中進行乙烷熱裂解制乙烯的反應，反應式為，反應溫度為，反應壓力反應壓力1.41.4大氣壓，以水蒸氣為稀釋劑進行裂解反應。水蒸氣與乙烷之比為大氣壓，以水蒸氣為稀釋劑進行裂解反應。水蒸氣與乙烷之比為

23、0.5 0.5 ：1 1（摩爾比），乙烷加料速率為（摩爾比），乙烷加料速率為2020噸噸/ /時，乙烷轉(zhuǎn)化率要求達時，乙烷轉(zhuǎn)化率要求達60%60%，若反應在等溫等，若反應在等溫等壓下進行，并可忽略其它副反應，試計算下述兩種情況時的反應器體積。壓下進行，并可忽略其它副反應，試計算下述兩種情況時的反應器體積。l解：（1）反應為一級不可逆反應時：l乙烷的分子量為30，進料量為20噸/時，l若反應為一級不可逆，則 AfxAAARrdxFV00sec/185.0360030102030KmolFAKcAAAAAAXYXkCr001)()(sec8 .121173987.170200exp10535.11

24、173114KCT（1 1）設(shè)反應為一級不可逆反應）設(shè)反應為一級不可逆反應（2 2）若反應為一級可逆反應）若反應為一級可逆反應已知：反應速率方程為已知：反應速率方程為 以分壓表示的化學平衡常數(shù)以分壓表示的化學平衡常數(shù)l反應起始時，乙烷與水蒸氣的摩爾比為1 ：0.5：l所以： RTKkcccKrcSRAA70200exp10535. 1)()(14式中常數(shù)以濃度表示的化學平衡CK)(2.3atmPPPKASRP5.1111111)/(1070.9)(5.14.15.0114.1033000AAAAAymKmolRTPcatmpsec)/(5 . 11186. 05 . 11111070. 98

25、.12)(33mKmolxxxxrAAAAA)36 . 00(68. 15 . 11186. 0185. 0mxxdxVAAAR13.13.l（2）若反應為一級可逆反應時AfxCSRAAARKCCcKdxFV00RTkkPC/AfxPSRAARKPPPARTkdxFV00)(AAAAAAAAxxxyxPP5 . 114 . 11100RSAAAAAAARPPxxxyxPP5 .14 .1100AAAAPAAAAAARdxxxxxKxxxxRTKdxFV6.00226.0020)5.1(438.05.111993.0/5.14.15.114.1因上式不易積分，不能直接求區(qū)解析值，故采用圖解積分法

26、因上式不易積分，不能直接求區(qū)解析值，故采用圖解積分法令令l將計算關(guān)系列于下表l將上列數(shù)據(jù)作圖l由圖求得 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.在全混反應器中進行下列液相反應在全混反應器中進行下列液相反應過程是連續(xù)且穩(wěn)定的。過程是連續(xù)且穩(wěn)定的。A A與與B B的體積流率均為的體積流率均為4L/min4L/min。且。且

27、A A與與B B的濃度分別為的濃度分別為 ?，F(xiàn)要求?，F(xiàn)要求B B 的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為75%75%，問反應器體積為多大？，問反應器體積為多大？設(shè)反應物料密度不變。設(shè)反應物料密度不變。l解 ：由題知，反應器內(nèi)的反應速率為；SRBAKK12min)/(731kmolmKmin)/(332kmolmK,/6 . 1/8 . 233mkmolmkmol與SRBABAcckcckrr21)()(fBBfBfAAfARrxcVrxcVV00003030/8.026.1/4.128.2mKmolcmKmolcBA33300/6 . 0/2 . 075. 08 . 08 . 0/8 . 075. 08 . 0

28、4 . 1mKmolccmKmolcmKmolxcccSRBBfBAAl代入速率式：min)/(04. 06 . 06 . 032 . 08 . 07)()(3mKmolrrBAmin/008. 0min/8443000mLVVVBA)(12. 0300mrxcVVfBBfBR15.15.在全混反應器中進行下列液相反應在全混反應器中進行下列液相反應 反應物中反應物中ABAB按等摩爾比配成，其反應按等摩爾比配成，其反應速率式為速率式為 其速率常數(shù)其速率常數(shù) ，液體加料流率，液體加料流率 反應物濃度為反應物濃度為 ，反應在，反應在 等溫條件下進行。當?shù)葴貤l件下進行。當A A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為87

29、.5%87.5%時試用解析法求（時試用解析法求（1 1）單個反應器，（）單個反應器，（2 2）兩個等體積反應器串聯(lián)操作及（）兩個等體積反應器串聯(lián)操作及（3 3）三個等體積全混）三個等體積全混反應器串聯(lián)操作下，這三種情況的帆嬰器體積各為多少？反應器串聯(lián)操作下，這三種情況的帆嬰器體積各為多少？l解： （1）單個反應器，l（2）兩個等體積反應器串聯(lián)RBABAckcrA )/(92. 93skmolmksmV/278. 030300/08. 0mkmolccBAC2532006 .19 mKCCCVVAAfAR2120010011AAAAARXkCXXCVV2220120021AAAAARXkCXXC

30、VV0,021ARRXVV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總（3 3）三個等體積全混反應器串聯(lián)）三個等體積全混反應器串聯(lián)l可求得；2120010011AAAAARXkCXXCVV2220120021AAAAARXkCXXCVV2320230031AAAAARXkCXXCVV8038. 0,6285. 021AAXX 322160. 16

31、285. 0108. 092. 96285. 008. 0278. 0mVR318.43mVVR總綜合練習題綜合練習題l一、單項選擇題一、單項選擇題:l在CSTR中進行一級不可逆恒溫恒容串聯(lián)反應：A P S，若E1E2，k1k2，為提高主產(chǎn)物P的得率Xp，應該選擇 ( )l較高濃度 較高溫度 較低溫度 較低濃度l在PFR中進行等溫恒容一級不可逆串聯(lián)反應 A P S， 當主產(chǎn)物P的濃度Cp最大時的最優(yōu)空時為opt( ).l k1/(k2k1)l某一級不可逆反應，當操作條件和轉(zhuǎn)化率相同時，用一容積為V的大型平推流反應器和改用4個容積為V1的小型平推流反應器串聯(lián)操作,反應器容積的相互關(guān)系為 ( )l

32、 V2V1 V4V1 V4V1 V4V1l某單一反應，其反應速率的倒數(shù)（1/-rA）與關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率xA呈單調(diào)下降關(guān)系，則在同等條件下應優(yōu)先選擇 ( )l平推流或間歇操作的全混流 全混流 多釜串聯(lián)全混流 全混流后串聯(lián)平推流式1k2k1k2k21kkln/1k21/1kk綜合練習題綜合練習題l二級不可逆反應 的容積效率為 ( )l 1 l某反應 A + BR, 其動力學方程式l rkrKAPAKBPB(1+KAPA+KBPB+KRPR)2, 所代表的反應機理式和控制步驟是（ ） l A+ A B + Bl A+B R R R+l催化劑顆粒的體積為VP、外表面積aP、比表面積SV、球形顆粒的外表

33、面積為as，表征其顆粒特征的體積相當直徑dV=（ ）l (6VP/)1/3 (ap/)1/2 6/SV aP/VPl常用的催化劑顆粒中氣體的有效擴散系數(shù)De模型近似計算公式為De=( )l 9700a(T/M)1/2 pDAB/RT220)1 (AAAxkCr)1 (Ax)5 . 01)(1 (AAxx5.0)1(Ax/DP)/1/1/(1KABDD綜合練習題綜合練習題l表征軸向分散模型的Peclet準數(shù)Pe的數(shù)值越大，軸向返混程度 ( )l 越大 越小 不變 為零l表征催化劑的內(nèi)擴散影響的Thiele模數(shù) ，其數(shù)值越大，表明內(nèi)擴散阻力 ( )l 越大 越小 不變 為零l在全混流反應器中停留時

34、間大于平均停留時間的流體粒子占全部粒子的百分數(shù)( )l 36.79% 63.21% 18.4% 75%l有一平行反應：A P , (主產(chǎn)物)，rPk1 ；l k2 其中k1k2,要提高選擇率SP，應選擇 ( )l S , (副產(chǎn)物)，rSk2 CA；l提高溫度操作 提高CA 操作 降低CA操作 降低溫度操作s1k2AC綜合練習題綜合練習題l三級全混流反應器(等VR)串聯(lián)操作時,其停留時間分布的散度為 ( )l 1 0 0 1 1l平推流反應器中流體濃度分布的特點是: ( )l 軸向上處處相同,徑向上不同; 軸向和徑向上處處相同;l 徑向上處處相同,軸向上不同; 軸向和徑向上處處不同.l在流化床

35、反應器中，從氣泡經(jīng)氣泡暈到乳相的傳遞可認為是一個串聯(lián)過程，其總括交換系數(shù)(Kbe)b與氣泡-氣泡暈的交換系數(shù)(Kbc)b、氣泡暈-乳相間的交換系數(shù)(Kce)b三者之間的關(guān)系可表示為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表征氣-液相反應的參數(shù)八田(Hatta)數(shù)Ha或 ，對于擬一級不可逆快速反應(-R)=kCACB，CB大過量時可視作(-RA)=kCA，則Ha=( )l 或 ； ； ； ;2222MLABLLDkcLL AkDesDkcRzEuLLAL

36、Akk 綜合練習題綜合練習題lK-L(即國井-Levenspiel)鼓泡(流化)床數(shù)學模型假定床頂出氣組成可用氣泡中的組成代替。在定常態(tài)下進行一級不可逆反應時，床頂出氣轉(zhuǎn)化率表達式為; ( )l ； ； ； ；l二二.填空填空:l化學反應的速率常數(shù)的對數(shù)lnk與反應溫度T的關(guān)系可表示為 。l反應程度與反應組分i(計量系數(shù)為i)的轉(zhuǎn)化率xi的關(guān)系為：xi= 。l對于溫度和濃度均勻的連續(xù)流動系統(tǒng)，就選定的控制體積如以組分A的摩爾流率FA/mols-1進行物料衡算，則單位時間內(nèi)輸入量FA,in、輸出量FA,out、反應消耗量FA,r和積累量FA,b之間的關(guān)系即物料衡算式為 ；在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下為

37、。fKAex1ktAex1)1 ()1 (20XXXiZekZeZeCCfKAex1綜合練習題綜合練習題l表征軸向分散模型的Peclet準數(shù)Pe的數(shù)值越大，軸向返混程度越 ；而表征催化劑的內(nèi)擴散影響的Thiele模數(shù)，其數(shù)值越大，則表明內(nèi)擴散阻力越 。l定常態(tài)下氣體雙組分擴散時綜合擴散系數(shù)D 。l等溫催化劑的有效系數(shù) ；其粒內(nèi)濃度分布的方程式為： 。l催化劑顆粒的體積為VP、外表面積aP、比表面積SV，表征其顆粒特征的體積相當直徑dV= ，面積相當直徑da ，比表面相當直徑ds= 。l對于反應-rA1 和反應-rA2 速率單位均采用 Kmol/m h，則1的因次為：_，2的因次為：_。bBaA

38、PPk1bBaACCk23綜合練習題綜合練習題l反應物A的水溶液在等溫CSTR中進行二級反應，出口轉(zhuǎn)化率為0.4，現(xiàn)在改在等體積的PRF中進行，則出口轉(zhuǎn)化率為 ；如在PRF中進行等溫一級不可逆反應，反應物A的初始濃度為CA0，轉(zhuǎn)化率為xA，當反應器的體積增大到n倍時，反應物A的出口濃度為 ，轉(zhuǎn)化率為 ；在PRF中進行等溫一級均相反應，反應器體積不變，進口物料A的濃度CA0從1 mol/l增大到2 mol/l,如果出口轉(zhuǎn)化率xA不變,進料體積流量v0必須 。l催化劑床層堆密b、顆粒密度p及顆粒真密度t之間的關(guān)系是 。 綜合練習題綜合練習題l三.簡答題：l簡要說明反應器特性和反應器設(shè)計的主要任務(wù)。

39、l寫出單層絕熱床的催化劑用量方程、床層高度方程式。l氣一固相催化反應過程一般包括哪些步驟? l簡要說明固定床擬均相模型及其一維模型的基本假定要點，說出兩類擬均相一維模型。右圖為CSTR的Qg-T和Qr-T關(guān)系示意圖，l請寫出放熱速率線Qg和撤熱速率線Qr表l達式，并在圖中標注出穩(wěn)定的定常態(tài)點l和可選熱穩(wěn)定操作點。綜合練習題綜合練習題l一PFR、一CSTR和一層流模型反應器三者的平均停留時間 相等且 =2min，圖a、圖b分別為三者E(t)t曲線和F(t)t曲線的迭放示意圖。請分別標出曲線與t= 和t= / 2八個交點處的圖a: E(t)t曲線E(t) 和F(t)值。l (5) (6) 圖b:

40、F(t)t曲線圖a: E(t)t曲線tttt綜合練習題綜合練習題l在由一個CSTR和一個等體積的PFR串聯(lián)組合的反應裝置中進行一級不可逆液相等溫反應，證明反應結(jié)果與串聯(lián)順序無關(guān)。l如右圖，ABC曲線為某可逆反應的平衡l溫度線，DEF為最佳溫度線。l 回答以下各題并簡要說明理由：l A、B、C三點的反應速率是多少？l D、E、F中哪點的反應速率最快？哪點最慢？l G、M、E、N各點哪點的反應速率最快？ l A、G、H中哪點的反應速率最快？ 綜合練習題綜合練習題l下列平行反應： AB k1 P，主反應，rp l k2l S 副反應，rsl為了提高主產(chǎn)物P的收率，在下列情況下應選擇什么反應器為最優(yōu)并

41、簡要說明理由：l1) a1a2，b1b2； 2) a1a2，b1b2 ； l寫出吸附等溫線 模型中的L-H模型和Temkin模型表達式，其中L-H模型包括單分子吸附、解離吸附和多分子同時被吸附（非解離）時的等溫線模型式。111bBaACCk222bBaACCk)(iipf綜合練習題綜合練習題l說出流化床數(shù)學模型中有代表性的第級模型氣泡兩相模型的基本假定并列出反應為一級不可逆、乳相為全混流時的未轉(zhuǎn)化率模型 。(8分)l簡要說明描述氣-液兩相流傳質(zhì)模型的惠特曼模型的基本假定或要點并列出氣相量、液相量總括傳質(zhì)系數(shù)KGA、KLA與氣膜、液膜傳質(zhì)系數(shù)kGA、kLA和亨利常數(shù)HA之間的關(guān)系式。l有某液相等

42、溫二級不可逆反應，如在CSTR中進行，其出口轉(zhuǎn)化率xA=0.5，若將反應器的體積擴大到4倍，則出口轉(zhuǎn)化率xAf=？ (8分) l氣-液相反應多半為不可逆反應，其大致需經(jīng)歷包括那些步驟？說出氣-液相反應的膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)和增強系數(shù)的物理意義。綜合練習題綜合練習題l有一可逆反應，在某一溫度時，其正、逆反應速率常數(shù)分別為k1=0.5，k2=1。問，在該溫度下反應轉(zhuǎn)化率可否達到90%？l寫出帶有短路流的全混流（容積為Vm）模型的E(t)表達式，并給出E(t) t的示意圖。l寫出等溫球形催化劑內(nèi)進行一級不可逆反應l(-rA=kVCA)時的擴散-反應方程的微分式和積分式以及有效系數(shù)的表達式（其中Thiele模

43、數(shù)采用 ）。1/hDkReVs綜合練習題綜合練習題l四、計算及證明題l3-1. 以純A為原料（液相）在連續(xù)釜式反應器(CSTR)內(nèi)生產(chǎn)P產(chǎn)物，空時=1h，反應為：lA P，rP=k1CAl S，rS=k2CA.l反應速率常數(shù)k1、k2與溫度的關(guān)系符合阿累尼烏斯方程，指前因子A1=4.368105 ，lA2=3.5331018 ，反應活化能E1=41800J/(molK), E2=141000J/(molK)。試求在什么溫度下操作P的得率(yP)最大？1h1h綜合練習題綜合練習題l3-2. 在一PFR反應器中，由純乙烷進料裂解制造乙烯，年生產(chǎn)能力為15萬噸乙烯：C2H6 C2H4 + H2（設(shè)A

44、為C2H6，B為C2H4，C為H2）l反應按一級不可逆反應對待(忽略副反應),-rA=kCA，反應器在1100K等溫、600kPa恒壓下操作,要求乙烷的轉(zhuǎn)化率xA達到80%。已知反應活化能為347.3 kJ/mol，1000K時，k=0.0725 ，反應活化能E=347.3kJ/mol。反應氣體按理想氣體處理，年工作日按330天計算。試設(shè)計用50mm、長12m管子并聯(lián)制作工業(yè)規(guī)模管式反應器的列管根數(shù)和反應器的空時。k1s綜合練習題綜合練習題l3-3某化工車間的主要產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是70下進行的等溫自催化反應：，已知其速率方程為：-AkCACR，kmol(m3h)，測得在此溫度下的速率常數(shù)l k1

45、.512 m3(kmolh)。生產(chǎn)實踐證明，反應物料的初始組成按99：1配比時生產(chǎn)效果最好（即CAo0.99 kmolm3, CRo0.01 kmolm3）。該廠要進行技術(shù)改造，將料液的處理量即容積流速擴大到o10 m3h、轉(zhuǎn)化率達到xA0.99?，F(xiàn)擬采用理想反應器或其組合設(shè)計有效容積最小的反應裝置，請你給提出優(yōu)化的選型方案(做出正確的計算結(jié)果)。綜合練習題綜合練習題l3-4.某一級可逆放熱反應 A R ,其反應速率式為：-AkCA0(1-xA)k(CR0+CA0 xA)，其中: kk0exp-E1RT, kk0exp-E2RT； CA0、CR0為原料中組份A和R的起始濃度，CA0：CR0=1

46、： 。試分別導出變溫操作時最優(yōu)反應溫度Topt和平衡溫度Te與xA的關(guān)聯(lián)式以及Topt與Te之間的依賴關(guān)系式 kk綜合練習題綜合練習題l3-5.在CSTR(Vr=490cm3)中,在36下用氨與甲醛制烏洛托品，其化學反應方程式為：4NH3(A)6HCHO(B)(CH2)6N46H2O反應速率方程為: ，mol/(Ls), 。已知氨水和甲醛水溶液的濃度分別為4.06 mol/L和6.32mol/L，各以1.50cm3/s的流量進入反應器，設(shè)該系統(tǒng)的密度恒定。試求氨的轉(zhuǎn)化率xA及反應器出口物料中氨和甲醛的濃度。l3-6在間歇釜式反應器中等溫下進行下列反應：lNH3(A)CH3OH(B) CH3NH

47、2(P)H2O(S)， ，lCH3NH2CH3OH (CH3)2NHH2O， ，P為主產(chǎn)物，CP0=0。l這兩個反應對各自的反應物均為一級（反應速率如上），已知在該反應溫度下k2/k1=0.68。試求一甲胺的最大得率yP和與之相應的氨的轉(zhuǎn)化率。2BAAckcr Tek/309031042. 1BACCkr11PBCCkr221k2k綜合練習題綜合練習題l3-7. 氣相二級不可逆反應A3R，在壓力為5kg/cm2、350和容積進料速率0=1.1110-3m3/s下，流入內(nèi)徑為0.025m、長為2m的管式平推流反應器中，此時可以獲得0.60的轉(zhuǎn)化率。為了設(shè)計處理能力為8.8910-2m3/s的工業(yè)

48、反應器，若此時原始物料中含有50%的A和50%的惰性物料，壓力為25 kg/cm2、溫度仍為350，要求轉(zhuǎn)化率達到0.90，試求需要內(nèi)徑為0.025m、長度為2m的管子多少根？l3-8.氣相可逆反應A + B R的速率方程為： , 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，總壓力p1.0 kg/cm2=1.01325105Pa。l試求最優(yōu)溫度Topt與轉(zhuǎn)化率xA的函數(shù)表達式。)/(pRBAAK

49、pppkr3333綜合練習題綜合練習題l4-1已知一等溫閉式液相反應器的停留時間分布密度函數(shù)E(t)=16te ,min ，試求：l平均停留時間；空時；停留時間小于1 min的物料所占的分率；l停留時間大于1 min的物料所占的分率；l若用多級CSTR串聯(lián)模型來擬合時的模型參數(shù)N；l用軸向擴散模型來擬合（閉-閉式邊界條件）時的模型參數(shù)Pe；l若反應物料為微觀流體且進行一級不可逆反應時，其速率常數(shù)k=6min-1，CA0=1mol/L，試分別采用多級CSTR串聯(lián)模型和軸向擴散模型(閉-閉式邊界條件)計算反應器出口轉(zhuǎn)化率；l若反應物料為宏觀流體(即凝集流模型，其他條件同上)，試估計反應器出口轉(zhuǎn)化率

50、。t41t4綜合練習題綜合練習題l4-2 .設(shè)F()E()分別為閉式流動反應器的停留時間分布函數(shù)和密度函數(shù),為對比時間。l若反應器為平推流反應器，試求：F(1)；E(1)；F(0.8)；E(0.8)；E(1.2)。l若反應器為全混流反應器，試求：F(1)；E(1)；F(0.8)；E(0.8)；E(1.2)。l若反應器可用層流模型擬合，試求：E()；F()；E(0.5)；F(1)；F(0.5)。l若為一個三釜(等釜)串聯(lián)模型，試求： ； ；E(1)；l若反應器為一非理想流動反應器，試求：lF()；F(0)；E()； ； 。20)(dE0)(dE綜合練習題綜合練習題l4-3. 在一管式反應器內(nèi)進行

51、液相二級不可逆反應，其速率方程為 -rAk (k0.05h-1)。流體的進料速率為Vo0.25m3/h，反應器的有效容積為VR0.5m3，原料液中A 的起始濃度 CAo5.0 mol/m3，試求：l 當反應流體在器內(nèi)作層流流動且不存在徑向和軸向混合過程時，反應器出口平均轉(zhuǎn)化率xA；l 當反應流體在器內(nèi)呈平推流時出口處的xA；l 當反應流體在器內(nèi)呈全混流時出口處的xA。2AC綜合練習題綜合練習題l4-如右圖所示的流動系統(tǒng)中，流經(jīng)第二個釜V2的流體分率為，兩釜均為全混流，體積分別為V1、V2。試求：l假定 ,求：l當用脈沖示蹤法進行試驗時該系統(tǒng)的E(t)；l該系統(tǒng)的平均停留時間 ；l該系統(tǒng)的 ；l

52、計算在上述情況下進行一級不可逆反應時反應裝置的出口轉(zhuǎn)化率；l假定 ，求：l該系統(tǒng)的E(t)；該系統(tǒng)的平均停留時間 ；l該系統(tǒng)的 ；l假定 且=V2 /(V1+V2)時, 求整個流動系統(tǒng)的E(t)。l該系統(tǒng)的平均停留時間 ；l該系統(tǒng)的21tt t22和t21tt t22和t21tt t22和t綜合練習題綜合練習題l圖1：組合裝置流動系統(tǒng)示意圖(4-4)l F，C(t)F1aFaF圖1：組合裝置流動系統(tǒng)示意圖綜合練習題綜合練習題l5-1假定鐵催化劑上氨合成反應為N2為解離吸附控制，且H2不吸附。試利用焦姆金公式導出該反應的冪函數(shù)型動力學方程。l6-1. 用中間間接冷卻的兩段式絕熱床進行某催化氧化反

53、應，所用催化劑為載于硅膠上的V2O5，化學反應計量方程為：lSO2(A) 0.5O2 (B) SO3(R)l其反應動力學方程為： ，mol /(sgcat)l其中，k1=5.4110-3exp-129791/RT，k2=7.49104exp-224412/RT。進料的分子組成為：A 8.0%，B 13.0%，N2 79.0%；進料的摩爾流量為243kmol/h， 5 . 05 . 021ABRBAApppkppkr綜合練習題綜合練習題l總壓為p=1.01325105Pa；第一級進氣溫度為370，出氣溫度為560；第二級進氣溫度為370；A的總轉(zhuǎn)化率xA=99%。如在此溫度范圍內(nèi)，混合氣的比熱c

54、p可認為基本不變，并等于1.045 J/gK；反應熱焓與溫度的關(guān)系為： H(kJ/mol)=-102.98.3410-3T。床層密度rB=0.6g/cm3，反應器直徑為1.825m，氣體常數(shù)R=8.314J/molK。求：l速率常數(shù)k1，k2的單位；膨脹因子dA；l反應組分的初始摩爾分率yi0和當A的轉(zhuǎn)化率為xA時相關(guān)組分的摩爾分率yi；l進料氣體的平均分子量；l整理并寫出該系統(tǒng)的速率方程式(-rA)=k(T)f(xA)；l整理并寫出該反應裝置的絕熱線方程式T=f(xA)；l整理并寫出該反應裝置關(guān)鍵組分A的轉(zhuǎn)化率xA隨床層高度l變化的微分方程；l寫出該反應裝置關(guān)鍵組分A的轉(zhuǎn)化率xA隨床層高度l

55、變化的差分方程。綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案 l 解：l顯然 ， ， 分別對組分A、P進行物料衡算，有：l，由此可得 (1)l考慮到CP0=0，則 （2） 將(1)代入(2)可得主產(chǎn)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 2211211Ek

56、EkkkE綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l整理得：l (4)l (5)l代入有關(guān)數(shù)據(jù)得 。l注：由題設(shè)條件=1,亦可在式處將=1代入，式簡化為 ,后續(xù)步驟同上。)1(ln) 1() 1()(122021220/121212212EEkRTEEEkeEEkEEkERTE)1/(ln12202EEkREToptKTopt3 .389)141800141000(110533. 3ln314. 814100018)(1211kkkyP綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l 解：先進行有關(guān)參數(shù)整理：由題設(shè)條件可知：yA0=1，A=（2-1）/1=1。該反應器的乙烯(MP=2

57、8kg/kmol)產(chǎn)出量相當于乙烯的摩爾流率(流出量)為： (kmol/s)；換算為乙烷的摩爾流率(流入量或處理量)為：FA0= FB/ xA =0.188/0.8=0.235 (kmol/s)；由 ,初始(F0=FA0，恒壓)： ；l則；l又；l ，或 ，則 ；l計算1100K時的速率常數(shù) ,l代入有關(guān)數(shù)據(jù)得:188. 02836002433010157BFRTFptRTpCRTCRTFpAAA/0000013330000582. 3106001100314. 810235. 0smpRTFCFAAA)1 ()1 (),1 (0000AAAAAAAxxyxFFAAAAAxxFFC1100AA

58、AAxxCC110AAAAxxkCr110)11(exp11TTREkk1798. 3,23. 30725. 0)1100110001(314. 8374300exp0725. 0sek綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l由設(shè)計方程有： ；l所需列管根數(shù)： ；l空時 (s)。l*或先算出空時,再求體積亦可：l ;AAAxAAAxAAAAAxAAARdxxkpRTFxdxxkCFrdxFV0000000) 112(1)1 (330682. 28 . 05ln21060023. 31100314. 823511ln2mxxkpRTFAAA（根）1141205. 014. 34682.

59、 212422DVnR749. 0582. 3682. 20V,749. 0 8 . 05ln2 23. 3111ln2 11)1 (1000）（sxxkxdxxkrdxCAAxAAAxAAAAA)(682. 230mVR（根）。所需管子根數(shù)為：1141205. 014. 34682. 212422DVnR綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l3.3.解：l整理速率方程：l= CR0/CA0=0.02/200=0.01， 則CR0=CA0。l由計量方程知：lCA=CA0(1xA)，CR=CR0+CA0 xA= CA0(+xA)，l代入速率方程中，則有l(wèi) ；)(1 (20AAAAxx

60、kCr綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l依據(jù)動力學方程選擇反應器型式 l由 ，得曲線存在極小值即對應的最低點的轉(zhuǎn)化率值正是反應速率為最大時對應的轉(zhuǎn)化率值 。l由此亦可知，屬于1/(-rA)xA之曲線上存在最低點，故采用全混流后串接一平推流為最佳組合，取最低點對應的轉(zhuǎn)化率xA=0.495作為全混流的出口轉(zhuǎn)化率即為最優(yōu)；而后一級的平推流進口轉(zhuǎn)化率即xA=0.495，出口轉(zhuǎn)化率xAf=0.95。0)(1(211)1(220AAAAAAxxxkCrdxd495. 02/ )1 (max,Ax綜合練習題計算題參考答案綜合練習題計算題參考答案l計算反應器的體積：l*CSTR： ; PFR：