化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題

1、 化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題第一部分：均相反應(yīng)器基本理論1、試分別寫出N2+3H2=2NH3中用N2、H2、NH3的濃度對時(shí)間的變化率來表示的該反應(yīng)的速率；并寫出這三種反應(yīng)速率表達(dá)式之間的關(guān)系。112、已知某化學(xué)計(jì)量式為三AB二R+懇S的反應(yīng)，其反應(yīng)速率表達(dá)式為r=2C0.5C，22AAB試求反應(yīng)速率r=?；若反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式寫成A+2B二2R+S，則此時(shí)反應(yīng)速率r=？BA為什么?dP3、某氣相反應(yīng)在400K時(shí)的反應(yīng)速率方程式為-十二3.61x10，2P2kPa/h，問反應(yīng)dA1dn速率常數(shù)的單位是什么？若將反應(yīng)速率方程改寫為r二-xA二kC2mol/l.h，該反AVdA應(yīng)速率常數(shù)k的數(shù)值、單位如何？4

2、、在973K和294.3X103Pa恒壓下發(fā)生下列反應(yīng)：C4H102C2H4+H2。反應(yīng)開始時(shí)，系統(tǒng)中含丁烷為116g當(dāng)反應(yīng)完成50%時(shí)，丁烷分壓以235.4X103Pa/的速率發(fā)生變化，試求下列項(xiàng)次的變化速率：(1)乙烯分壓；(2)H2的摩爾數(shù)；(3)丁烷的摩爾分率。5、某溶液反應(yīng)：A+BC，開始時(shí)A與B摩爾數(shù)相等，沒有C，1小時(shí)后A的轉(zhuǎn)化率為75%,當(dāng)在下列三種情況下，2小時(shí)后反應(yīng)物A尚有百分之幾未反應(yīng)掉？對A為一級(jí)、B為零級(jí)反應(yīng)；對A、B皆為一級(jí)反應(yīng)；對A、B皆為零級(jí)反應(yīng)。6、在一間歇反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)：A+B=RA+R=STOC o 1-5 h z已知原料組成為C.0=2kmol

3、/m3,C=4kmol/m3,C=C=0。反應(yīng)混合物體積的變化忽A0B0R0S0略不計(jì)。反應(yīng)一段時(shí)間后測得C=0.3kmol/m3，C=1.5kmol/m3。計(jì)算這時(shí)B和S的濃度,AR并確定A的轉(zhuǎn)化率、生成R的選擇性和收率。7、一級(jí)可逆反應(yīng)A=R在等溫下進(jìn)行。已知CA0=500mol/m3，CR0=0。若該反應(yīng)在一間歇A0R0反應(yīng)器中進(jìn)行，且在反應(yīng)溫度下x=0.667。經(jīng)480s后測得x=0.333。(1)試確定此AeA反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程；(2)計(jì)算x分別達(dá)到0.6和0.65所需的反應(yīng)時(shí)間；(3)比較計(jì)算結(jié)果,A你有什么體會(huì)？8、反應(yīng)H2+C2H4=C2H6，開始時(shí)各組分的含量為：2molH2、

4、4molC2H4、2mol惰氣，22426224當(dāng)H2的轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)，試計(jì)算該物系的總mol數(shù)。9、在BR中，以硫酸為催化劑使過氧化氫異丙苯分解成苯酚、丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速度常數(shù)k為0.08s-i，若每小時(shí)處理過氧化氫異丙苯3m3,求轉(zhuǎn)化率達(dá)98.8%時(shí)所需反應(yīng)釜的實(shí)際體積為多少？每批操作非生產(chǎn)時(shí)間為3544.8s,裝料系數(shù)為0.65(因反應(yīng)過程起泡沫)。10、反應(yīng)物質(zhì)A,按二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式等溫分解，在理想間歇釜式反應(yīng)器中5min后轉(zhuǎn)化率為50%，試問在該反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化75%的A物質(zhì)，需要增加多少分鐘？11、在理想置換管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一個(gè)一級(jí)不可逆等溫反應(yīng)。反應(yīng)器的有效體積為2

5、m3,原料以0.4m3/h的流量進(jìn)入反應(yīng)器，測得出口處轉(zhuǎn)化率為60%；若改變原料流量為0.2m3/h，其它條件不變，出口處轉(zhuǎn)化率應(yīng)為多少？12、在管式反應(yīng)器中進(jìn)行一裂解反應(yīng)A=R+S，實(shí)驗(yàn)測得該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程式為r二kP(mol/m3.s)，若反應(yīng)在P=101.3，10Pa，T=546K的條件下進(jìn)行，反APA應(yīng)速度常數(shù)kp=7.75，10mol/m3.s.Pa，試計(jì)算：()處理量為4323/day的原料氣要求轉(zhuǎn)化率達(dá)82.6%時(shí)，所需反應(yīng)器的V,？R()若反應(yīng)器的反應(yīng)管內(nèi)徑為100，則管長為多少？13、在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用一個(gè)間歇攪拌的燒瓶進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)2h后，轉(zhuǎn)化率達(dá)到

6、99.9%。若改用連續(xù)化生產(chǎn)，并將反應(yīng)器放大，選用一個(gè)CSTR進(jìn)行此反應(yīng)，其它工藝條件不變，平均停留時(shí)間為2h,且保持原來的反應(yīng)速度常數(shù)值，試計(jì)算該反應(yīng)的最終轉(zhuǎn)化率。14、在一容積為120l的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行如下液相反應(yīng)：A+BkR+Sk=0.251/mol.minr=kCCAAB含A為2.8mol/1的進(jìn)料流與含B為1.6mol/1的進(jìn)料流分別以相同的流率同時(shí)加入反應(yīng)器中，若反應(yīng)過程中物料的容積不發(fā)生變化，試求出口流中B的轉(zhuǎn)化率為75%時(shí)，兩股進(jìn)料流的流量各是多少？15、用醋酸酐水解制醋酸是在一多段串聯(lián)攪拌釜內(nèi)進(jìn)行的，已知醋酸酐進(jìn)料為0.9463/h開始時(shí)沒有醋酸存在，各釜反應(yīng)均在1

7、50C下進(jìn)行，此時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)k=0.08061轉(zhuǎn)化率達(dá)到，求：若為單釜操作時(shí)，所需反應(yīng)器有效容積為多少？若為多釜串聯(lián)操作時(shí)，已知各釜反應(yīng)器容積為單釜操作時(shí)有效容積的1/10，則需幾個(gè)這樣的反應(yīng)器串聯(lián)操作？16、在兩釜串聯(lián)的反應(yīng)器中，進(jìn)行一液相反應(yīng)，A+B=R+S,若動(dòng)力學(xué)方程式為r=kC2(當(dāng)AACA=CB時(shí))，已知k=1m3/kmol.s,C=C=1kmol/m3,物料經(jīng)過兩釜總的平均停留時(shí)間為ABA0B01s,試求該反應(yīng)經(jīng)過兩釜串聯(lián)反應(yīng)后的轉(zhuǎn)化率為多少？(分別采用解析法、圖解法計(jì)算。提示：兩釜的停留時(shí)間相同即均為0.5s)17、有一液相反應(yīng)為A+B=R+S，已知進(jìn)料液量V0=O.51/m

8、in，在該溫度下的反應(yīng)速度常數(shù)k=1001/mol.min，原料初始濃度Cao=0.05mol/1，試求：A0（1）若反應(yīng)在PFR中進(jìn)行，有效容積VR=11時(shí)，反應(yīng)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率？R（2）若反應(yīng)在CSTR單釜中進(jìn)行，要求的轉(zhuǎn)化率不變?nèi)纾?），所需反應(yīng)器的有效容積為多少？（3）若反應(yīng)仍在CSTR單釜中進(jìn)行，而VR仍為11，則反應(yīng)所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為多少？R18、有一等溫二級(jí)不可逆液相反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程式為rkC2，已知293K時(shí)反應(yīng)速度常AA數(shù)k為10m3/kmol.h，反應(yīng)物A的初始濃度CA0為0.2kmol/m3，加料速率V。為2m3/h,試比較下列理想反應(yīng)器組合方案的出口轉(zhuǎn)化率。1）、兩個(gè)

9、有效體積均為2m3的PFR反應(yīng)器串聯(lián)；2）、一個(gè)PFR反應(yīng)器后串聯(lián)一個(gè)CSTR反應(yīng)器，二者有效體積均為2m3；3）、一個(gè)CSTR反應(yīng)器后串聯(lián)一個(gè)PFR反應(yīng)器，二者有效體積均為2m3；4）、兩個(gè)有效體積均為2m3的CSTR反應(yīng)器串聯(lián)。19、有一級(jí)不可逆反應(yīng)ATR，在85C時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)為3.45h1，今擬在一個(gè)容積為10m3的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，若最終轉(zhuǎn)化率x0.95，該反應(yīng)器處理的物料量可達(dá)1.82m3/h。Af（1）今若改用兩個(gè)容積相同的串聯(lián)釜操作，求總的反應(yīng)器體積為多大？（2）又若改用N個(gè)容積相同的串聯(lián)釜，當(dāng)N的數(shù)目足夠大時(shí)，試證明所需的反應(yīng)器總體積趨近于平推流反應(yīng)器在同樣工藝條件下所需的反

10、應(yīng)器體積。20、有一等溫一級(jí)連串反應(yīng)AjfTRk2S，在兩個(gè)串聯(lián)的理想連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。每個(gè)釜的有效體積為21，加料速度為11/min，反應(yīng)物A的初始濃度CA0=2mo1/1，兩個(gè)釜在同一溫度下操作。k1=0.5min-1，k2=0.25min-1，試求第一釜及第二釜出口物料濃度cA、CR、cs。（過程可視為等溫等容）21、若非基元復(fù)合反應(yīng)：A+Bk_RrkCa、C1ABA+BSr二kCa2C2AB其中aa。若目的產(chǎn)物為R,試討論有利于選擇性和收率的溫度和濃度條件。1222、在理想連續(xù)操作釜式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行某一級(jí)可逆反應(yīng)：A=R,在操作條件下測得反應(yīng)速度常數(shù)k1為10h-1，k2為2h-1，

11、在反應(yīng)物料A中不含有R,其進(jìn)料量為10m3/h,當(dāng)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%時(shí)，平均停留時(shí)間及反應(yīng)器的有效體積各是多少？1dnn23、考慮反應(yīng)AkT3P,其動(dòng)力學(xué)方程式為rA二kA,試推導(dǎo)在恒容下以總AVdtV壓P表示的動(dòng)力學(xué)方程式。1.試證:(1)申(訃)2a2)V23(3)申4.84-sAp2.求下列顆粒的d、d、d、甲及床層的d與vassee()直徑d的圓球、直徑d、高的圓柱體、TOC o 1-5 h z直徑d的圓柱體、。3某廠乙苯脫氫固定床反應(yīng)器采用鐵系催化劑，制成直徑d、高的圓柱體。試計(jì)算d、d、d及p。vass某軸向催化反應(yīng)器，通氣截面積為0.362,催化劑床層高度,床層內(nèi)平均操作狀態(tài)

12、下反應(yīng)混合物密度,k粘度|Jx10，進(jìn)料氣體量使用粒徑為一的顆粒催化劑，形狀系數(shù)p，床層空隙率。()計(jì)算床層壓降；(2若改用粒徑為s的顆粒催化劑，p、不變，操作條件不變，求床層壓降；(2若改s用徑向反應(yīng)器，催化劑裝載量不變，床層內(nèi)圈直徑，外圈直徑，床高仍為。使用粒徑為的顆粒催化劑，其它條件與軸向反應(yīng)器相同，計(jì)算徑向反應(yīng)器床層壓降。年產(chǎn)量為5000噸的由乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯的裝置是一列管式固定床催化反應(yīng)器，其反應(yīng)式為:c8H10-c8H8+H2c8H10C7H8+CH4已知：年生產(chǎn)時(shí)數(shù)為8300h原料氣體是乙苯與水蒸氣的混合物，其重量比為：,乙苯的總轉(zhuǎn)化率為0苯乙烯的選擇性為6空速為乙苯、水氣，催

13、化劑堆積密度為，試求床層催化劑的重量。1dnn1、考慮反應(yīng)Ak3P，其動(dòng)力學(xué)方程式為r，-/，kA,試推導(dǎo)在恒容下以總AVdtV壓P表示的動(dòng)力學(xué)方程式。解：A3P時(shí)00A0則：即：或：nRT40-V3nRT-PVn二A0-A2RT1dnAVdTA)nn3(n-n)RTP，AA04V3nRT-PVd(Ao)12RT,1dPVdT2RTdTk(3nRT-PV)A02RTV2RT(34-1dP2RTdT2RT(3P-P)0(mol/l.s)dPdT，k(3P-P)0 # 主反應(yīng))副反應(yīng))r，kCCCR1ABRr，kCCS2AB2、有如下平行反應(yīng)：ABRABS若采用間歇操作，試選擇合適的加料方式；若采

14、用連續(xù)操作，試選擇用合適的反應(yīng)器型式；若主、副反應(yīng)的活化能分別為30和20，反應(yīng)溫度宜高還是宜低？rk解：S，蟲，1CPrkRS2若用間歇操作，應(yīng)采用向事先含R的BR中同時(shí)加入A、B物料；若用連續(xù)操作，應(yīng)選用CSTR,A、B同時(shí)連續(xù)加入；JE1E2，反應(yīng)溫度宜高。(溫度升高，有利于活化能高的反應(yīng))3、在管式反應(yīng)器中進(jìn)行一裂解反應(yīng)A=R+S,實(shí)驗(yàn)測得該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程式為rkP(mol/m3.s)，若反應(yīng)在P=101.3*10Pa,T=546K的條件下進(jìn)行，反應(yīng)APA速度常數(shù)kp=7.75*10mol/m3.s.Pa，試計(jì)算：()處理量為4323/day的原料氣要求轉(zhuǎn)化率達(dá)82

15、.6%時(shí)，所需反應(yīng)器的V,？R(2)若反應(yīng)器的反應(yīng)管內(nèi)徑為100，則管長為多少？解：,1，y1，PP1，TOC o 1-5 h zAA0A0R0.08206(l.atm/mol.K)8.314(J/mol.K)FVCVPVPVFA0_A00AO000yyyRTRTRT432x103A0A0A0F0-24x3600 x0.08206X546一0.1116mol/s)F1V汁(1+,y)ln,yxRkPAA01xAA0Af0.1116AfV0.1116(1+1)ln11x0.826=380(1)R7.85x10-4x110.826L竹4*3848.4(m)兀d2兀X(0.1)24、有一級(jí)不可逆反應(yīng)

16、ATR，在85C時(shí)反應(yīng)速度常數(shù)為3.45h1，今擬在一個(gè)容積為10m3的釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，若最終轉(zhuǎn)化率x0.95，該反應(yīng)器處理的物料量可達(dá)1.82m3/h。Af今若改用兩個(gè)容積相同的串聯(lián)釜操作，求總的反應(yīng)器體積為多大？又若改用N個(gè)容積相同的串聯(lián)釜，當(dāng)N的數(shù)目足夠大時(shí)，試證明所需的反應(yīng)器總體積趨近于平推流反應(yīng)器在同樣工藝條件下所需的反應(yīng)器體積。解:(1)Vr總=2Vr1=2Vr2VCxCC1CR1A0AlA0(A01)VkCkCkC0A1A1A1VC1+kR1A0(1)VC0A1 同理可得：1+kR2A1VC0A22)(1)X(2)有:(1+k0CA0CA2CA0CVVCCkr總2kR12(A0

17、1)2(CA01)7VVCC(10.95)00A2A07V71.82V二o3.7m3R總k3.450A2(2a)若采用PFR反應(yīng)器，有:kV11kr-Inin3V1x10.950AfV3V31.8201.58m3Rk3.45則:2b)對N個(gè)容積相同的串聯(lián)釜，則有:CA0(1+k卜)N0CAN-1ANVC丄k總N(kN(A)N110(4VCC(10.95)00ANA03.5V3.51.82V01.84m3R總k3.450丄)1013.5故當(dāng)N足夠大時(shí)，所需總體積趨近于PFR反應(yīng)器的體積。 5、有一等溫一級(jí)連串反應(yīng)ARS,在兩個(gè)串聯(lián)的理想連續(xù)釜式反應(yīng)器中進(jìn)行。每個(gè)釜的有效體積為21，加料速度為11

18、/min，反應(yīng)物A的初始濃度CA0=2mol/1，兩個(gè)釜在同一溫度下操作。kOmin-1,k2=0.25min-1，試求第一釜及第二釜出口物料濃度CA.CR、Cs。（過程可視為等溫等容）解：第一釜：TOC o 1-5 h z-VCxCxxt=R=AO_=AOA1=A1VrkC（1一x）k（1一x）OA11AOA11A12x=，1，x=x10.5（1x）A1A1A1x=0.5A1C=C（1，x）=2（1，0.5）=1（mo仇）TOC o 1-5 h zA1A0A1C+C=CC=21=1R1S1A0A1C=1CS1R1rdCCkCkC0.5x10.25C-R=R=R1=_A12_R1=R1rdCC

19、kC0.25CSSS12R1R1C0.50.25CR=R11C0.25CR1R10.25C2=0.5（1C）0.25C（1，C）R1R1R1R1C2=22CC+C2）R1R1R1R1C=2/3=0.67（mo1/1）R1C=CCC=21，2/3=1/3=0.33（mo1）S1A0A1R1第二釜：-C（x一x）C（x一x）x一0.5R=2=A0A2A1=A0A2A1=A2rkC（1x）0.5（1x）0A21A0A2A21x=x0.5A2A2x0.75A2CA2C(1-x)2(1-3/4)1/20.5(moill)A0A2CR2,CS2C-C2-0.51.5A0A2C1.5-CR2S2r銀rSdC

20、RdCSC-C_R2C-CS2S1kC-kC_A22_R2kC2R20.5x0.5-0.25CR20.25CR2C-0.670.25-0.25C1-CR2R2R2C-0.330.25CCS2R2R20.25CR2C-0.67R21.5-C-0.331-CR2CR2C2-C3R2R2(33.5-C)(1-C)R2R23.535C-C+C2R2R2R2CR23.56.5c3R24.5C3R23.5CR2350.78(mol/1)4.5R2 # CS2C-C-C2-0.5-0.780.72(mol/1)A0A2R26、在間歇反應(yīng)中進(jìn)行下列液相反應(yīng)A+BRA+RS原料混合物濃度為：C2mol/LC4m

21、ol/LCC0A0B0R0S0在反應(yīng)時(shí)間為t,得到C0.3mol/L,C1.5mol/L,（1）求此時(shí)組分B和S的濃AR度為多少？（2）A物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率為多少？（3）R物質(zhì)的收率為多少？解：（1）設(shè)t時(shí)B和S的濃度分別為C和CBS列出物料衡算表如下：組分t=0t=t解得2)轉(zhuǎn)化率：2.04.002-(4-C)-CBS(4-C)-C1.5S2.4mol/LCXA0AACC2-(4-C)-C0.3ABSCBC(4-C)-C1.5RBS0.3C0.1mol/LS2-0.3170.8585%23)選擇性：S-CR-出-0-1.5-0.88RC-C2-0.31.7A0A1.51.73收率：YS-xx0./

22、5/5%RRA1.724A0例21在間歇釜式反應(yīng)器中，己二酸與己二醇以等摩爾比，在70C時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，以h2so4為催化劑。由實(shí)驗(yàn)測得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為：rkC2kmol/l.minAAk=1.971/kmol.min,C“=0.004kmol/1,式中r為以己二酸作著眼組分的反應(yīng)速率。若每A0A天處理2400kg己二酸，己二酸的轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時(shí)間t0=1hr，試計(jì)算反應(yīng)器的容積。裝料系數(shù)=0.75。解(1)計(jì)算達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間因反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，且CA0=CB0，則可得x0.8tAf508min8.47hrk，C(1-x)1.97x0.004x(1-0.8

23、)A0Af(2)計(jì)算反應(yīng)器所需容積V每小時(shí)己二酸的進(jìn)料量FA。為2400F=A024x1460.685kg.molhr式中146為己二酸分子量，每小時(shí)己二酸的體積流量V。為FV=400CA00.6850.004171lhr故反應(yīng)器的有效容積VR為RVr=V0(t+t0)=171X(8.47+1)=1619l=1.619m3反應(yīng)器所需容積V為V1.619G0.752.16m3例2-2在平推流反應(yīng)器中,用己二酸與己二醇生產(chǎn)醇酸樹脂，操作條件和產(chǎn)量與例2-1相同,試計(jì)算平推流反應(yīng)器所需的體積。解已知：X反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng),可得x0.8AfkC(1X)1.97x0.004x(1-0.8)A0Af508mi

24、n8.47hrV=Vt=171X8.47=1450l=1.45m3R0例2-3在理想混合反應(yīng)器中用己二酸與己二醇生產(chǎn)醇酸樹脂，操作條件與例2相同，試計(jì)算理想混合反應(yīng)器的容積和平均停留時(shí)間。解已知：X=0.8k=1,.97kmol.min由式(2-45)可得XVr=V0CA0hA171x0.8因?yàn)槭嵌?jí)反應(yīng)故VR=VCx0A0AkC2(1X)21.97x60 x0.004x(10.8)2A0Af=7234l=7.234m3-V72347t=r=42.3hrV1710例2-4在兩釜串聯(lián)反應(yīng)器中，用己二酸和己二醇生產(chǎn)醇酸樹脂。在第一釜中己二酸的轉(zhuǎn)化率為60，%第二釜轉(zhuǎn)化率達(dá)到80。%反應(yīng)條件與產(chǎn)量和

25、例2-1相同，試計(jì)算反應(yīng)器的總體積。解由式(247)可得第一釜的容積VR1為V=RikC(1x)2A01已知：，將以上數(shù)值代入上式得=1360=1.36m3“171,0.6V=Ri1.97x60 x0.004x(10.6)2第二釜的容積VR2為V(xx)171x(0.80.6)V=021=R2kC(1x)21.97x60 x0.004x(10.8)A02=1810二1.81m3故反應(yīng)器的總體積為V=V+V=1.36+1.81=3.17m3RR1R2例2-5由例2-1所給的數(shù)據(jù)，用圖解法確定用四釜串聯(lián)反應(yīng)器生產(chǎn)醇酸樹脂所需反應(yīng)器的總體積。解已知反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，故r二kC2二1.97x60C2二118.2C2AAAACAkmol/l0.0040.00350.0030.00250.0020.00150.001rkmol/l.hr1.891.451.0620.7370.4720.2560.118將不同的CA值代入上式，即可求得相應(yīng)的r。結(jié)果見附表，將表A中數(shù)據(jù)繪成曲線OM(見附圖)。