化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題庫(計(jì)算題舉例及詳細(xì)解答)

化學(xué)反應(yīng)工程習(xí)題庫(計(jì)算題舉例及詳細(xì)解答))1.若某鐵催化劑上氨合成反應(yīng)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(dòng)力學(xué)方程。解：過程由氨脫附所控制，則

將上列各式代入，可得2．Temknh等提出鐵催化劑上氨合成反應(yīng)為下列步驟所組成

式中X代表活性位。若過程的反應(yīng)速率由解離吸附控制，試求不均勻表面動(dòng)力學(xué)方程。

解：此時(shí)表面化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡，即催化劑上吸附態(tài)的吸附平衡分壓

根據(jù)中等覆蓋度情況下不均勻表面吸附理論，當(dāng)過程為氮的單組分吸附且為控制步驟時(shí)，由式可得，3．若一氧化碳變換反應(yīng)由下列步驟組成

而表面化學(xué)反應(yīng)是控制步驟，試推演不均勻表面吸附動(dòng)力學(xué)方程。解：可知表面化學(xué)反應(yīng)吸附時(shí)由于水解反應(yīng)達(dá)到平衡4．乙烷熱裂解，實(shí)驗(yàn)證明，該反應(yīng)的總速率對乙烷是一級的。假定該反應(yīng)的歷程為：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)歷程中的單分子反應(yīng)速率式可表示為其余的反應(yīng)均可以從基元過程直接寫出相應(yīng)的反應(yīng)速率式。解：根據(jù)穩(wěn)定態(tài)假定的要求，對于每一個(gè)鏈載體凈變化應(yīng)該為零。即三試相加得:

產(chǎn)物乙烯只是在鏈增長反應(yīng)中生成，故它生成的速率就是反應(yīng)的速率。式中的由上面提出的反應(yīng)歷程，可以說明乙烷裂解反應(yīng)為一級的。5．以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為,每批進(jìn)料1Kmol的A和4.96Kmol的B，已知反應(yīng)速率，試求醋酸轉(zhuǎn)化率分別為0.5，0.9，0.99所需的反應(yīng)時(shí)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(yīng)為液相反應(yīng)，反應(yīng)過程中體積比不變，且每次投料體積為:

醋酸（A）1Kmol60kg正丁醇（B）4.96Kmol368kg計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化率從0.9提高到0.99，反應(yīng)時(shí)間從4.81h延長到52.9h，說明大量反應(yīng)時(shí)間花在高轉(zhuǎn)化率。

分別代入計(jì)算可得:

計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)化率從0.9提高到0.99，反應(yīng)時(shí)間從4.81h延長到52.9h，說明大量反應(yīng)時(shí)間花在高轉(zhuǎn)化率。

6.生化工程中酶反應(yīng)為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式，某溫度下要求A的最終濃度降到，當(dāng)原料的進(jìn)料量為時(shí)，求：（1）反應(yīng)速率達(dá)到最大時(shí)，A的濃度為多少？解（1）要使反應(yīng)速率最大

即化簡得

（2）在全混流反應(yīng)器中

（3）在平推流反應(yīng)器中（2）采用全混流反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器體積是多少？

（3）采用平推流反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器體積是多大？（4）為使反應(yīng)器體積為最小，將全混流和平推流反應(yīng)器組合使用，組合方式如何？其最小體積為多少？（4）反應(yīng)器的組合形式及最小體積要使反應(yīng)器體積最小，從CA0到Cam應(yīng)該用全混流反應(yīng)器，而后從Cam到CAf串聯(lián)一個(gè)平推流反應(yīng)器。全混流反應(yīng)器體積為平推流反應(yīng)器體積為7．兩個(gè)等體積的平推流或全混流反應(yīng)器形成七種組合，在等溫下進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間均為1min，計(jì)算其最終轉(zhuǎn)化率。解:（a）兩個(gè)全混流反應(yīng)器并聯(lián)，（b）兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，（c）與（d）全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián),（e）與（f）兩個(gè)平推流反應(yīng)器并聯(lián)或串聯(lián),（g）平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器并聯(lián),8.平行反應(yīng)

生成P的反應(yīng)為主反應(yīng)，P為主產(chǎn)物，求：（1）在全混流反應(yīng)器中所能得到的最大；解：（1）全混流反應(yīng)器求：（2）在平推流反應(yīng)器中所能得到的最大；（2）平推流反應(yīng)器9.純苯氯化為串聯(lián)反應(yīng)，生成物為一氯苯，副產(chǎn)物為二氯苯反應(yīng)方程式為

的動(dòng)力學(xué)方程解：由動(dòng)力學(xué)方程可知，動(dòng)力學(xué)方程各項(xiàng)中均有氯氣濃度，計(jì)算過程中可消除，可用上述推導(dǎo)的一級串聯(lián)反應(yīng)形式的計(jì)算公式可進(jìn)行。對于理想混合間歇反應(yīng)器，

在理想混合間歇反應(yīng)器和理想混合連續(xù)反應(yīng)器中進(jìn)行上述串聯(lián)反應(yīng)，求主產(chǎn)物一氯苯的最高含量及此時(shí)產(chǎn)物濃度分布情況

對于理想混合連續(xù)反應(yīng)器，10.達(dá)到定態(tài)操作的反應(yīng)器進(jìn)口物料中，用脈沖法注入示蹤有色物料，于出口用比色法測定有色示蹤物濃度歲時(shí)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(shí)間分布函數(shù)，并計(jì)算方差。解：由下式計(jì)算停留時(shí)間分布函數(shù)由下式計(jì)算平均停留時(shí)間由下式計(jì)算方差具體計(jì)算過程見下表時(shí)間t/s01202403604806007208409601080

示蹤物濃度/（）06.512.512.510.05.02.51.000時(shí)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計(jì)算結(jié)果：11.在在攪拌良好的間歇反應(yīng)器中，用乙酸和丁醇生產(chǎn)乙酸丁酯，反應(yīng)式為：

（A）（B）（C）（D）

反應(yīng)在等溫條件下進(jìn)行，進(jìn)料配比為乙酸1kgmol配丁醇4.97kgmol，并以少量硫酸為催化劑。

解：計(jì)算反應(yīng)時(shí)間二級反應(yīng)

乙酸分子量為60，丁醇分子量為74，所以乙酸的濃度為當(dāng)使用過量丁醇時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程式為式中反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)在液相進(jìn)行，反應(yīng)物密度為。若每天生產(chǎn)2400kg乙酸丁酯，如要求乙酸轉(zhuǎn)化率為50%，每批輔助時(shí)間為0.5Hr，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積？（2）計(jì)算有效體積每天需生產(chǎn)2400kg（P）則每小時(shí)乙酸用量為

每小時(shí)所需原料總量為每小時(shí)需處理的原料體積為所以反應(yīng)器有效體積為12.在管式流動(dòng)反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸釘酯，若操作條件和產(chǎn)量上題相同，試計(jì)算所需反應(yīng)器體積。解：有上題可知每小時(shí)處理原料量為反應(yīng)物乙酸的轉(zhuǎn)化率為按理想管式反應(yīng)器計(jì)算13.在一管式流動(dòng)反應(yīng)器中進(jìn)行乙烷熱裂解制乙烯的反應(yīng)，反應(yīng)式為，反應(yīng)溫度為，反應(yīng)壓力1.4大氣壓，以水蒸氣為稀釋劑進(jìn)行裂解反應(yīng)。水蒸氣與乙烷之比為0.5：1（摩爾比），乙烷加料速率為20噸/時(shí)，乙烷轉(zhuǎn)化率要求達(dá)60%，若反應(yīng)在等溫等壓下進(jìn)行，并可忽略其它副反應(yīng)，試計(jì)算下述兩種情況時(shí)的反應(yīng)器體積。解：（1）反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)時(shí)：乙烷的分子量為30，進(jìn)料量為20噸/時(shí)，若反應(yīng)為一級不可逆，則

（1）設(shè)反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)

（2）若反應(yīng)為一級可逆反應(yīng)

已知：反應(yīng)速率方程為

以分壓表示的化學(xué)平衡常數(shù)反應(yīng)起始時(shí)，乙烷與水蒸氣的摩爾比為1：0.5：所以：13.（2）若反應(yīng)為一級可逆反應(yīng)時(shí)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

令將計(jì)算關(guān)系列于下表將上列數(shù)據(jù)作圖由圖求得00.10.20.30.40.50.6y

0.6670.56070.46450.37670.29630.22260.15471/y

1.51.78322.15272.65443.37404.49180.463214.在全混反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)

過程是連續(xù)且穩(wěn)定的。A與B的體積流率均為4L/min。且A與B的濃度分別為

?，F(xiàn)要求B的轉(zhuǎn)化率為75%，問反應(yīng)器體積為多大？設(shè)反應(yīng)物料密度不變。解：由題知，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)速率為；代入速率式：15.在全混反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)反應(yīng)物中AB按等摩爾比配成，其反應(yīng)速率式為 其速率常數(shù)，液體加料流率反應(yīng)物濃度為，反應(yīng)在等溫條件下進(jìn)行。當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率為87.5%時(shí)試用解析法求（1）單個(gè)反應(yīng)器，（2）兩個(gè)等體積反應(yīng)器串聯(lián)操作及（3）三個(gè)等體積全混反應(yīng)器串聯(lián)操作下，這三種情況的帆嬰器體積各為多少？解：（1）單個(gè)反應(yīng)器，（2）兩個(gè)等體積反應(yīng)器串聯(lián)（3）三個(gè)等體積全混反應(yīng)器串聯(lián)可求得；綜合練習(xí)題一、單項(xiàng)選擇題:⒈在CSTR中進(jìn)行一級不可逆恒溫恒容串聯(lián)反應(yīng)：APS，若E1＞E2，k1≠k2，為提高主產(chǎn)物P的得率Xp，應(yīng)該選擇()①較高濃度②較高溫度③較低溫度④較低濃度⒉在PFR中進(jìn)行等溫恒容一級不可逆串聯(lián)反應(yīng)APS，當(dāng)主產(chǎn)物P的濃度Cp最大時(shí)的最優(yōu)空時(shí)為τopt＝().①②③④k1/(k2－k1)⒊某一級不可逆反應(yīng)，當(dāng)操作條件和轉(zhuǎn)化率相同時(shí)，用一容積為V的大型平推流反應(yīng)器和改用4個(gè)容積為V1的小型平推流反應(yīng)器串聯(lián)操作,反應(yīng)器容積的相互關(guān)系為()①V＝2V1②V＞4V1③V＜4V1④V＝4V1⒋某單一反應(yīng)，其反應(yīng)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(yīng)優(yōu)先選擇()①平推流或間歇操作的全混流②全混流③多釜串聯(lián)全混流④全混流后串聯(lián)平推流式綜合練習(xí)題⒌二級不可逆反應(yīng)的容積效率η為()①1②③④⒍某反應(yīng)A+B—→R,其動(dòng)力學(xué)方程式r＝krKAPAKBPB／(1+KAPA+KBPB+KRPR)2,所代表的反應(yīng)機(jī)理式和控制步驟是（）①A+σ∧Aσ②B+σ∧Bσ③Aσ+Bσ∧Rσ④Rσ∧R+σ⒎催化劑顆粒的體積為VP、外表面積aP、比表面積SV、球形顆粒的外表面積為as，表征其顆粒特征的體積相當(dāng)直徑dV=（）①(6VP/π)1/3②(ap/π)1/2③6/SV④aP/VP⒏常用的催化劑顆粒中氣體的有效擴(kuò)散系數(shù)De模型近似計(jì)算公式為De=()①②9700a(T/M)1/2③④pDAB/RT綜合練習(xí)題⒐表征軸向分散模型的Peclet準(zhǔn)數(shù)Pe的數(shù)值越大，軸向返混程度()①越大②越?、鄄蛔儮転榱恽罕碚鞔呋瘎┑膬?nèi)擴(kuò)散影響的Thiele模數(shù)，其數(shù)值越大，表明內(nèi)擴(kuò)散阻力()①越大②越?、鄄蛔儮転榱恽辉谌炝鞣磻?yīng)器中停留時(shí)間大于平均停留時(shí)間的流體粒子占全部粒子的百分?jǐn)?shù)()①36.79%②63.21%③18.4%④75%⒓有一平行反應(yīng)：AP,(主產(chǎn)物)，rP＝k1；k2其中k1＝k2,要提高選擇率SP，應(yīng)選擇()S,(副產(chǎn)物)，rS＝k2CA；①提高溫度操作②提高CA操作③降低CA操作④降低溫度操作綜合練習(xí)題⒔三級全混流反應(yīng)器(等VR)串聯(lián)操作時(shí),其停留時(shí)間分布的散度為()①＝1②＝0③0＜＜1④＞1⒔平推流反應(yīng)器中流體濃度分布的特點(diǎn)是:()①軸向上處處相同,徑向上不同;②軸向和徑向上處處相同;③徑向上處處相同,軸向上不同;④軸向和徑向上處處不同.⒕在流化床反應(yīng)器中，從氣泡經(jīng)氣泡暈到乳相的傳遞可認(rèn)為是一個(gè)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()①(Kbe)b≈(Kbc)b＋(Kce)b；②1/(Kbe)b≈1/(Kbc)b＋1/(Kce)b；③(Kbe)b≈(Kbc)b·(Kce)b；④1/KLA=1/HAkGA＋1/kLA；⒖表征氣-液相反應(yīng)的參數(shù)八田(Hatta)數(shù)Ha或，對于擬一級不可逆快速反應(yīng)(-R)=k’CACB，CB大過量時(shí)可視作(-RA)=kCA，則Ha=()①或；②；③；④;綜合練習(xí)題⒗K-L(即國井-Levenspiel)鼓泡(流化)床數(shù)學(xué)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(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時(shí)，床頂出氣轉(zhuǎn)化率表達(dá)式為;()①；②；③；④；:⒈化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)的對數(shù)lnk與反應(yīng)溫度T的關(guān)系可表示為

。⒉反應(yīng)程度ξ與反應(yīng)組分i(計(jì)量系數(shù)為αi)的轉(zhuǎn)化率xi的關(guān)系為：xi=

。⒊對于溫度和濃度均勻的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)，就選定的控制體積如以組分A的摩爾流率FA/mol·s-1進(jìn)行物料衡算，則單位時(shí)間內(nèi)輸入量FA,in、輸出量FA,out、反應(yīng)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

。綜合練習(xí)題⒋表征軸向分散模型的Peclet準(zhǔn)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(kuò)散影響的Thiele模數(shù)，其數(shù)值越大，則表明內(nèi)擴(kuò)散阻力越

。⒌定常態(tài)下氣體雙組分?jǐn)U散時(shí)綜合擴(kuò)散系數(shù)D＝

。⒍等溫催化劑的有效系數(shù)η＝

；其粒內(nèi)濃度分布的方程式為：

。⒎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(dāng)直徑dV=

，面積相當(dāng)直徑da＝

，比表面相當(dāng)直徑ds=

。⒏對于反應(yīng)-rA1＝和反應(yīng)-rA2＝速率單位均采用Kmol/m·h，則ｋ1的因次為：__________________，ｋ2的因次為：_______________________。綜合練習(xí)題⒐反應(yīng)物A的水溶液在等溫CSTR中進(jìn)行二級反應(yīng)，出口轉(zhuǎn)化率為0.4，現(xiàn)在改在等體積的PRF中進(jìn)行，則出口轉(zhuǎn)化率為

；如在PRF中進(jìn)行等溫一級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)物A的初始濃度為CA0，轉(zhuǎn)化率為xA，當(dāng)反應(yīng)器的體積增大到n倍時(shí)，反應(yīng)物A的出口濃度為

，轉(zhuǎn)化率為

；在PRF中進(jìn)行等溫一級均相反應(yīng)，反應(yīng)器體積不變，進(jìn)口物料A的濃度CA0從1mol/l增大到2mol/l,如果出口轉(zhuǎn)化率xA不變,進(jìn)料體積流量v0必須

。⒑催化劑床層堆密ρb、顆粒密度ρp及顆粒真密度ρt之間的關(guān)系是

。綜合練習(xí)題：⒈簡要說明反應(yīng)器特性和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。⒉寫出單層絕熱床的催化劑用量方程、床層高度方程式。⒊氣一固相催化反應(yīng)過程一般包括哪些步驟?⒋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(diǎn)，說出兩類擬均相一維模型。⒌右圖為CSTR的Qg-T和Qr-T關(guān)系示意圖，請寫出放熱速率線Qg和撤熱速率線Qr表達(dá)式，并在圖中標(biāo)注出穩(wěn)定的定常態(tài)點(diǎn)和可選熱穩(wěn)定操作點(diǎn)。綜合練習(xí)題⒍一PFR、一CSTR和一層流模型反應(yīng)器三者的平均停留時(shí)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(biāo)出曲線與t=和t=/2八個(gè)交點(diǎn)處的圖a:E(t)～t曲線E(t)和F(t)值。(5)(6)圖b:F(t)～t曲線圖a:E(t)～t曲線綜合練習(xí)題⒎在由一個(gè)CSTR和一個(gè)等體積的PFR串聯(lián)組合的反應(yīng)裝置中進(jìn)行一級不可逆液相等溫反應(yīng)，證明反應(yīng)結(jié)果與串聯(lián)順序無關(guān)。⒏如右圖，ABC曲線為某可逆反應(yīng)的平衡溫度線，DEF為最佳溫度線?；卮鹨韵赂黝}并簡要說明理由：①A、B、C三點(diǎn)的反應(yīng)速率是多少？②D、E、F中哪點(diǎn)的反應(yīng)速率最快？哪點(diǎn)最慢？③G、M、E、N各點(diǎn)哪點(diǎn)的反應(yīng)速率最快？④A、G、H中哪點(diǎn)的反應(yīng)速率最快？綜合練習(xí)題⒐下列平行反應(yīng)：A＋Bk1P，主反應(yīng)，rp＝k2S副反應(yīng)，rs＝為了提高主產(chǎn)物P的收率，在下列情況下應(yīng)選擇什么反應(yīng)器為最優(yōu)并簡要說明理由：1)a1＞a2，b1＞b2；2)a1＜a2，b1＜b2；⒑寫出吸附等溫線模型中的L-H模型和Temkin模型表達(dá)式，其中L-H模型包括單分子吸附、解離吸附和多分子同時(shí)被吸附（非解離）時(shí)的等溫線模型式。綜合練習(xí)題⒒說出流化床數(shù)學(xué)模型中有代表性的第Ⅱ級模型——?dú)馀輧上嗄Ｐ偷幕炯俣ú⒘谐龇磻?yīng)為一級不可逆、乳相為全混流時(shí)的未轉(zhuǎn)化率模型。(8分)⒓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(diǎn)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。⒔有某液相等溫二級不可逆反應(yīng)，如在CSTR中進(jìn)行，其出口轉(zhuǎn)化率xA=0.5，若將反應(yīng)器的體積擴(kuò)大到4倍，則出口轉(zhuǎn)化率xAf=？(8分)⒕氣-液相反應(yīng)多半為不可逆反應(yīng)，其大致需經(jīng)歷包括那些步驟？說出氣-液相反應(yīng)的膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)γ和增強(qiáng)系數(shù)β的物理意義。綜合練習(xí)題⒖有一可逆反應(yīng)，在某一溫度時(shí)，其正、逆反應(yīng)速率常數(shù)分別為k1=0.5，k2=1。問，在該溫度下反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可否達(dá)到90%？⒗寫出帶有短路流的全混流（容積為Vm）模型的E(t)表達(dá)式，并給出E(t)~t的示意圖。⒘寫出等溫球形催化劑內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)(-rA=kVCA)時(shí)的擴(kuò)散-反應(yīng)方程的微分式和積分式以及有效系數(shù)η的表達(dá)式（其中Thiele模數(shù)采用）。綜合練習(xí)題四、計(jì)算及證明題3-1.以純A為原料（液相）在連續(xù)釜式反應(yīng)器(CSTR)內(nèi)生產(chǎn)P產(chǎn)物，空時(shí)τ=1h，反應(yīng)為：AP，rP=k1CAS，rS=k2CA.反應(yīng)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=4.368×105，A2=3.533×1018，反應(yīng)活化能E1=41800J/(mol·K),E2=141000J/(mol·K)。試求在什么溫度下操作P的得率(yP)最大？綜合練習(xí)題3-2.在一PFR反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯，年生產(chǎn)能力為15萬噸乙烯：C2H6C2H4+H2（設(shè)A為C2H6，B為C2H4，C為H2）反應(yīng)按一級不可逆反應(yīng)對待(忽略副反應(yīng)),-rA=kCA，反應(yīng)器在1100K等溫、600kPa恒壓下操作,要求乙烷的轉(zhuǎn)化率xA達(dá)到80%。已知反應(yīng)活化能為347.3kJ/mol，1000K時(shí)，k=0.0725，反應(yīng)活化能E=347.3kJ/mol。反應(yīng)氣體按理想氣體處理，年工作日按330天計(jì)算。試設(shè)計(jì)用φ50mm、長12m管子并聯(lián)制作工業(yè)規(guī)模管式反應(yīng)器的列管根數(shù)和反應(yīng)器的空時(shí)τ。綜合練習(xí)題3-3某化工車間的主要產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是70℃下進(jìn)行的等溫自催化反應(yīng)：Ａ＋Ｒ→２Ｒ，已知其速率方程為：-ｒA＝kCACR，kmol／(m3·h)，測得在此溫度下的速率常數(shù)k＝1.512m3／(kmol·h)。生產(chǎn)實(shí)踐證明，反應(yīng)物料的初始組成按99：1配比時(shí)生產(chǎn)效果最好（即CAo＝0.99kmol／m3,CRo＝0.01kmol／m3）。該廠要進(jìn)行技術(shù)改造，將料液的處理量即容積流速擴(kuò)大到υo＝10m3／h、轉(zhuǎn)化率達(dá)到xA＝0.99?，F(xiàn)擬采用理想反應(yīng)器或其組合設(shè)計(jì)有效容積最小的反應(yīng)裝置，請你給提出優(yōu)化的選型方案(做出正確的計(jì)算結(jié)果)。綜合練習(xí)題3-4.某一級可逆放熱反應(yīng)AR,其反應(yīng)速率式為：-ｒA＝kCA0(1-xA)－k'(CR0+CA0xA)，其中:k＝k0exp[-E1／RT],k'＝k0'exp[-E2／RT]；CA0、CR0為原料中組份A和R的起始濃度，CA0：CR0=1：λ。試分別導(dǎo)出變溫操作時(shí)最優(yōu)反應(yīng)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)系式綜合練習(xí)題3-5.在CSTR(Vr=490cm3)中,在36℃下用氨與甲醛制烏洛托品，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：4NH3(A)＋6HCHO(B)—→(CH2)6N4＋6H2O反應(yīng)速率方程為:，mol/(L·s),。已知氨水和甲醛水溶液的濃度分別為4.06mol/L和6.32mol/L，各以1.50cm3/s的流量進(jìn)入反應(yīng)器，設(shè)該系統(tǒng)的密度恒定。試求氨的轉(zhuǎn)化率xA及反應(yīng)器出口物料中氨和甲醛的濃度。3-6在間歇釜式反應(yīng)器中等溫下進(jìn)行下列反應(yīng)：NH3(A)＋CH3OH(B)CH3NH2(P)＋H2O(S)，，CH3NH2＋CH3OH(CH3)2NH＋H2O，，P為主產(chǎn)物，CP0=0。這兩個(gè)反應(yīng)對各自的反應(yīng)物均為一級（反應(yīng)速率如上），已知在該反應(yīng)溫度下k2/k1。試求一甲胺的最大得率yP和與之相應(yīng)的氨的轉(zhuǎn)化率。綜合練習(xí)題3-7.氣相二級不可逆反應(yīng)A→3R，在壓力為5kg/cm2、350℃和容積進(jìn)料速率υ0=1.11×10-3m3/s下，流入內(nèi)徑為0.025m、長為2m的管式平推流反應(yīng)器中，此時(shí)可以獲得0.60的轉(zhuǎn)化率。為了設(shè)計(jì)處理能力為8.89×10-2m3/s的工業(yè)反應(yīng)器，若此時(shí)原始物料中含有50%的A和50%的惰性物料，壓力為25kg/cm2、溫度仍為350℃，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.90，試求需要內(nèi)徑為0.025m、長度為2m的管子多少根？3-8.氣相可逆反應(yīng)A+BR的速率方程為：,mol/(h·m)。式中k＝1.26×10-4exp(-21.8×10/RT)，mol/(m·h·Pa2)；KP＝7.18×10-7exp(29.6×10/RT)，Pa-1；已知pA0＝pB0＝0.5kg/cm2=0.506625×105Pa，pR0＝0，總壓力p＝1.0kg/cm2=1.01325×105Pa。試求最優(yōu)溫度Topt與轉(zhuǎn)化率xA的函數(shù)表達(dá)式。綜合練習(xí)題4-1已知一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)E(t)=16te,min，試求：⑴平均停留時(shí)間；⑵空時(shí)；⑶停留時(shí)間小于1min的物料所占的分率；⑷停留時(shí)間大于1min的物料所占的分率；⑸若用多級CSTR串聯(lián)模型來擬合時(shí)的模型參數(shù)N；⑹用軸向擴(kuò)散模型來擬合（閉-閉式邊界條件）時(shí)的模型參數(shù)Pe；⑺若反應(yīng)物料為微觀流體且進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時(shí)，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(kuò)散模型(閉-閉式邊界條件)計(jì)算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率；⑻若反應(yīng)物料為宏觀流體(即凝集流模型，其他條件同上)，試估計(jì)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。綜合練習(xí)題4-2.設(shè)F(θ)E(θ)分別為閉式流動(dòng)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)和密度函數(shù),θ為對比時(shí)間。⑴若反應(yīng)器為平推流反應(yīng)器，試求：①F(1)；②E(1)；③F(0.8)；④E(0.8)；⑤E(1.2)。⑵若反應(yīng)器為全混流反應(yīng)器，試求：①F(1)；②E(1)；③F(0.8)；④E(0.8)；⑤E(1.2)。⑶若反應(yīng)器可用層流模型擬合，試求：①E(∞)；②F(∞)；③E(0.5)；④F(1)；⑤F(0.5)。⑷若為一個(gè)三釜(等釜)串聯(lián)模型，試求：①；②；③E(1)；⑸若反應(yīng)器為一非理想流動(dòng)反應(yīng)器，試求：①F(∞)；②F(0)；③E(∞)；④；⑤。綜合練習(xí)題4-3.在一管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行液相二級不可逆反應(yīng)，其速率方程為-rA＝k(k＝0.05h-1)。流體的進(jìn)料速率為Vo＝0.25m3/h，反應(yīng)器的有效容積為VR＝0.5m3，原料液中A的起始濃度CAo＝5.0mol/m3，試求：①當(dāng)反應(yīng)流體在器內(nèi)作層流流動(dòng)且不存在徑向和軸向混合過程時(shí)，反應(yīng)器出口平均轉(zhuǎn)化率xA；②當(dāng)反應(yīng)流體在器內(nèi)呈平推流時(shí)出口處的xA； ③當(dāng)反應(yīng)流體在器內(nèi)呈全混流時(shí)出口處的xA。綜合練習(xí)題4-⒋如右圖所示的流動(dòng)系統(tǒng)中，流經(jīng)第二個(gè)釜V2的流體分率為α，兩釜均為全混流，體積分別為V1、V2。試求：⑴假定,求：①當(dāng)用脈沖示蹤法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)該系統(tǒng)的E(t)；②該系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；③該系統(tǒng)的；④計(jì)算在上述情況下進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)時(shí)反應(yīng)裝置的出口轉(zhuǎn)化率；⑵假定，求：①該系統(tǒng)的E(t)；②該系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；③該系統(tǒng)的；⑶假定且α=V2/(V1+V2)時(shí),求整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)的E(t)。②該系統(tǒng)的平均停留時(shí)間；③該系統(tǒng)的綜合練習(xí)題圖1：組合裝置流動(dòng)系統(tǒng)示意圖(4-4)

F，C(t)F(1-a)FaF圖1：組合裝置流動(dòng)系統(tǒng)示意圖綜合練習(xí)題5-1假定鐵催化劑上氨合成反應(yīng)為N2為解離吸附控制，且H2不吸附。試?yán)媒鼓方鸸綄?dǎo)出該反應(yīng)的冪函數(shù)型動(dòng)力學(xué)方程。6-1.用中間間接冷卻的兩段式絕熱床進(jìn)行某催化氧化反應(yīng)，所用催化劑為載于硅膠上的V2O5，化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程為：SO22(B)—→SO3(R)其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：，[mol/(s·gcat)]其中，k1=5.41×10-3exp[-129791/RT]，k2=7.49×104exp[-224412/RT]。進(jìn)料的分子組成為：A8.0%，B13.0%，N279.0%；進(jìn)料的摩爾流量為243kmol/h，綜合練習(xí)題總壓為p=1.01325×105Pa；第一級進(jìn)氣溫度為370℃，出氣溫度為560℃；第二級進(jìn)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cp可認(rèn)為基本不變，并等于1.045J/g·K；反應(yīng)熱焓與溫度的關(guān)系為：H(kJ/mol)=-102.9＋8.34×10-3T。床層密度rB=0.6g/cm3，反應(yīng)器直徑為1.825m，氣體常數(shù)R=8.314J/mol·K。求：⑴速率常數(shù)k1，k2的單位；⑵膨脹因子dA；⑶反應(yīng)組分的初始摩爾分率yi0和當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率為xA時(shí)相關(guān)組分的摩爾分率yi；⑷進(jìn)料氣體的平均分子量；⑸整理并寫出該系統(tǒng)的速率方程式(-rA)=k(T)·f(xA)；⑹整理并寫出該反應(yīng)裝置的絕熱線方程式T=f(xA)；⑺整理并寫出該反應(yīng)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；⑻寫出該反應(yīng)裝置關(guān)鍵組分A的轉(zhuǎn)化率xA隨床層高度l變化的差分方程。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒈[解]：顯然，，分別對組分A、P進(jìn)行物料衡算，有：，由此可得(1)考慮到CP0=0，則（2）將(1)代入(2)可得主產(chǎn)物P的得率(3)由(注：),即有：，綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案整理得：(4)∴(5)代入有關(guān)數(shù)據(jù)得。注：由題設(shè)條件τ=1,亦可在式⑶處將τ=1代入，式⑶簡化為,后續(xù)步驟同上。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒉[解]：先進(jìn)行有關(guān)參數(shù)整理：由題設(shè)條件可知：yA0=1，δA=（2-1）/1=1。該反應(yīng)器的乙烯(MP=28kg/kmol)產(chǎn)出量相當(dāng)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)：；則；又；∴，或，則；計(jì)算1100K時(shí)的速率常數(shù),代入有關(guān)數(shù)據(jù)得:綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案由設(shè)計(jì)方程有：；所需列管根數(shù)：；空時(shí)(s)。*或先算出空時(shí),再求體積亦可：;綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案3.3.[解]：⑴整理速率方程：λ=CR0/CA0=0.02/200=0.01，則CR0=λCA0。由計(jì)量方程知：CA=CA0(1－xA)，CR=CR0+CA0xA=CA0(λ+xA)，代入速率方程中，則有；綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑵依據(jù)動(dòng)力學(xué)方程選擇反應(yīng)器型式由，得曲線存在極小值即對應(yīng)的最低點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率值正是反應(yīng)速率為最大時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)化率值。由此亦可知，屬于1/(-rA)～xA之曲線上存在最低點(diǎn)，故采用全混流后串接一平推流為最佳組合，取最低點(diǎn)對應(yīng)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(jìn)口轉(zhuǎn)化率即xA=0.495，出口轉(zhuǎn)化率xAf=0.95。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑶計(jì)算反應(yīng)器的體積：*CSTR：;PFR：;∴V*=V1+V2=6.42+9.67=16.09（m3）即為所求。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案**CSTR：;PFR：

∴V**=V1+V2=12.96+30.46=43.42（m3）即為所求。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒋

[解]：⑴反應(yīng)速率最大時(shí)的(最優(yōu))溫度Topt：由已知條件有：CA=CA0(1-xA)，CR=CR0+CA0xA=CA0(λ+xA)，則該一級可逆放熱反應(yīng)的速率方程為：-ｒA＝kCA0(1-xA)－k'CA0(λ+xA)(1)將式(1-1)對T求偏導(dǎo)數(shù)、并令其等于零，即：，則有(2-1)或?qū)懽鳎?2-2)綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑵平衡溫度Te：因?yàn)樵诜磻?yīng)達(dá)到平衡時(shí)，令式(1-1)等于零所解得的溫度即為平衡溫度Te：(3-1)或?qū)懽鳎?3-2)綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑶最優(yōu)溫度Topt與平衡溫度Te之間的關(guān)系式：顯然有：即，或?qū)懽?4)綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒌

[解]：由題設(shè)條件知，反應(yīng)物料氨水和甲醛水溶液以等流量進(jìn)入反應(yīng)器后的濃度相當(dāng)于稀釋了一倍，即CA0＝2.03mol/L，CB0＝3.16mol/L；反應(yīng)混合物料的容積流速υ0=3.0cm3/s。而，，,；綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案即，用試差法解之（參見下表）有：故取xA=0.823；∴CA＝2.03×(1－0.823)=0.3593mol/L，CB＝3.16－3.045×0.823＝0.6540mol/LxA

左邊=

右邊=1.077

備注(D=右邊－左邊)0.801.07361.0770.00340.821.076581.0770.000420.8231.076981.0770.00002綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒍[解]：按恒容反應(yīng)處理。氨(A)為關(guān)鍵組分，(得率yP=CP/CA0)；，；一甲胺的瞬時(shí)收率，而，，則有（1)綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案解該一階線性常系數(shù)微分方程（初值條件為xA0=0，yP=0），其通解為：代入初值條件，得積分常數(shù)I=1/(1－k2/k1)，∴(2)綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案求一甲胺的最大得率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率：則有，進(jìn)而可得：(3)已知k2/k1=0.68，∴；將其代入式⑵可得一甲胺的最大得率：，即44.06%。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒎

[解]：⑴設(shè)單管式反應(yīng)器有效容積為V1，擬設(shè)計(jì)的多管反應(yīng)器的容積為V2，顯然V2=nV1，或。第一種情況：yA0=1，δA=2；；則；綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案同理，在第二種情況時(shí)：yA0=0.5，δA=2，pA2=p2yA0=0.5×25（kg/cm2）綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案

代入有關(guān)數(shù)值可得：。其它方法如先求速率常數(shù)k再求t、V、n略。⑵由于并聯(lián)時(shí)各個(gè)(管)反應(yīng)器的進(jìn)口濃度相等且等于CA0，即是在較高的進(jìn)口濃度下反應(yīng)；而采用串聯(lián)裝置時(shí)，是在逐級降低濃度的情況下進(jìn)行反應(yīng)，自然轉(zhuǎn)化/反應(yīng)程度要低于并聯(lián)裝置時(shí)，所以，串聯(lián)裝配的反應(yīng)器的總出口轉(zhuǎn)化率要低于并聯(lián)裝配時(shí)，故采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒊⒏[解]：由已知條件可知δA=（1-2）/1=-1；yA0=0.5；系統(tǒng)的總壓記作p，則；；由給出速率常數(shù)k＝k0e-E/RT，知k0=1.26×10-4，E＝21.8×103J/mol；由平衡常數(shù)參數(shù)式可知KP0=7.18×10-7，-EP＝29.6×103J/mol；由，即(1)最優(yōu)反應(yīng)溫度即反應(yīng)速率最大時(shí)對應(yīng)的溫度，就式(1)對T求偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零：

綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案∵，由，即,即，，∴綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案兩邊取對數(shù)，即可得所求之最優(yōu)反應(yīng)溫度Topt與轉(zhuǎn)化率xA的函數(shù)表達(dá)式：⑵代入有關(guān)數(shù)值[其中p＝1.01325×105Pa，R=8.314J/(mol·K)得：或?qū)懽鳎孩蔷C合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒋⒈[解]：⑴⑵.因?yàn)槭情]式系統(tǒng)，故。⑶空速為空時(shí)的倒數(shù)，故vs=1/τ=2(min-1).⑷F(1)=，即停留時(shí)間小于1min的物料所占分率為90.84%。⑸由1－F(1)=1－0.9084=0.0916，即停留時(shí)間大于1min的物料所占分率為9.16%。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑹先求：,則。⑺∵=0.5，∴返混程度較大，擴(kuò)散模型參數(shù)Pe與方差的關(guān)系式為，即：0.25Pe2－Pe+1=e-Pe采用試差法求解，即Pe=2.56.綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑻①采用多釜串聯(lián)模型：，所以有xA=1-0.16=0.84。②采用軸向擴(kuò)散模型（DM）：已求得Pe=2.56，則,代入,有,∴xA=1-0.1417=0.8583。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒋⒉[解]：⑴因?yàn)槭瞧酵屏鞣磻?yīng)器，故符合理想流動(dòng)PFR模型的停留時(shí)間分布，所以：①F(1)=1.0；②E(1)=∞；③F(0.8)=0；④E(0.8)=0；⑤E(1.2)=0。⑵因?yàn)槭侨炝鞣磻?yīng)器，故符合理想流動(dòng)CSTR模型的停留時(shí)間分布，所以：①F(1)=1－e-1=0.6321；②E(1)=e-1=0.3679；③F(0.8)=1－e-0.8=0.5507；④E(0.8)=e-0.8=0.4493；⑤E(1.2)=e-1.2=0.3012。⑶如用層流模型來擬合，則，，故有①E(∞)=0；②F(∞)=1；③E(0.5)=4；④F(1)=0.75；⑤F(0.5)=0。⑷因?yàn)槭欠抢硐肓鲃?dòng)反應(yīng)器，故知：①F(∞)=1；②F(0)=0；③E(∞)=0；④；⑤。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒋⒊(p103例3-2-1)[解]：本反應(yīng)屬于恒溫、恒容反應(yīng)，對于，即，積分可得：。⑴若反應(yīng)器為平推流時(shí)：恒溫恒容情況下=2.5h，，xA=32.8%。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⑵計(jì)算層流管式反應(yīng)器出口的平均轉(zhuǎn)化率由于在管內(nèi)不存在徑向和軸向的混合過程，所以不存在不同停留時(shí)間的流體質(zhì)點(diǎn)的混合，在出口處任何流體質(zhì)點(diǎn)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率僅是它在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間也就是反應(yīng)時(shí)間的函數(shù)。而在反應(yīng)器出口的反應(yīng)流體質(zhì)點(diǎn)具有不同的停留時(shí)間，因而其平均轉(zhuǎn)化率應(yīng)為：(1)對(1)的被積函數(shù)進(jìn)行有理式變換：，綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案則,真數(shù)分式在∞時(shí)應(yīng)用羅必達(dá)法則,得而進(jìn)而得=29.43%即為所求。綜合練習(xí)題計(jì)算題參考答案⒋⒋(p141-4-6擴(kuò)展題)[解]：⑴當(dāng):為方便計(jì)令t=；假