四川大學化工復試資料 反應工程題及解2

《化學反應工程》習題及解答2：在等溫操作的間歇反應器中進行一級液相反應，13分鐘反應物轉(zhuǎn)化了80%，若把此反應移到活塞流反應器和全混流反應器中進行，達到同樣轉(zhuǎn)化所需的空時和空速？解：㏑k=min-1活塞流：τ=t=13min空速：s=1/τ=1/13=0.077min-1全混流：τ==32.3min2.自催化反應A+R→R+R，速度方程為-r=kCACR，體系總濃度為C0=CA+CR。若給你一個管式反應器和一個釜式反應器，為滿足同一生產(chǎn)要求怎樣聯(lián)結(jié)設備費較少？解：A+R→R+R-rA=kCACRC0=CA+CR.串聯(lián)連接，管式反應器加釜式反應器速度較快，同樣轉(zhuǎn)化時所用的體積較小。只有當CAm=CRm=0.5(CA0+CR0)=0.5C0時速度最快。∵或∴當總空時τ=τ1+τ1最小時反應器體積最小。對τ=+對CA1求導時τ最小時VR最少。此時的xA為全混釜出口最佳轉(zhuǎn)化率。某反應的活化能為7000J/mol，在其它條件不變時，問650℃的反應速度要比500℃時快多少？（解：k=k0e-E/RT，E=7000J/mol，R=8.314Jmol-1K-1k1/k2=-E/k(1/T1–1/T2)=-7000/8.314(1/273+650–1/273+500)=1.19∴-r650/-r500=k1/k2=1.19可逆一級液相反應AR，已知A的初始濃度為0.5mol/l，初始產(chǎn)物濃度為零。此反應在間歇反應器中，經(jīng)過8分鐘后A轉(zhuǎn)化了33.3％，而平衡轉(zhuǎn)化率為66.7％，試求正逆反應的速度常數(shù)和該反應的平衡常數(shù)。（10分）解：ARCA0=0.5mol/l,t=8min,xA=33.3%.xAe=66.7%㏑KC=∴㏑=k1(1+1/2)*8解得k1=0.05776min-1∴k2=1/2k1=0.02888min-1某氣相一級分解反應A→3P，在等溫活塞流管式反應器中進行，加入原料含A50％，惰性物50％，停留時間為10分鐘，系統(tǒng)出口的體積流量為原來的1.5倍，求此時A的轉(zhuǎn)化率及該反應速度方程。（10分）解：A3P惰性物101εA=（3+1）-（1+1）/1+1=1031 τ=10min∵V=V0(1+εAxAf)∴xAf=1/εA(V/V0-1)=1/1(1.5-1)=50%而kτ=(1+εAxAf)xAf/(1-xAf)=(1+0.5)*0.5/(1-0.5)=1.5*0.5/0.5=1.5∴k=0.15min-1∴-rA=0.15CA(mol/l*min)s6、在全混釜中進行液相均相反應：A+B→R(目的)rR=1.6CAkmol/(m3h)2A→DrD=8.2CA2kmol/(m3h)CA0=2kmol/m3 求：（1）A轉(zhuǎn)化95%所需時間;(2)此時R的收率；（3）若處理量為200L/min時反應器體積；（4）當反應物濃度提高一倍時反應器體積。解：（1）空時τ=CA0XAf/（-rAf）=CA0XAf/（rR+rD）=CA0XAf/(1.6CA+2*8.2CA2)=2*0.95/[1.6*2*（1-0.95）+2*8.2*22（1-0.95）2]=5.86h(2)因為，R對A的選擇性： SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1-XAf)]=0.493所以，R的收率為：YR=XAfSR/A=0.95*0.493=0.4684(3)處理量為200L/min時反應器體積：VR=v0*τ=200*10-3*60*5.86=70m(4)反應物濃度提高一倍時（1）、（2）、（3）又怎樣？空時τ=CA0XAf/（-rAf）=CA0XAf/（rR+rD）=CA0XAf/(1.6CA+2*8.2CA2)=2*0.95/[1.6*4*（1-0.95）+2*8.2*42（1-0.95）2]=3.893hR對A的選擇性： SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2*4(1-0.95)]=0.3274R的收率為：YR=XAfSR/A=0.95*0.3274=0.31反應器體積：VR=v0*τ=200*10-3*60*3.893=4某一氣固相催化反應在500℃-rA=7.5*10-3PAmol/(s*g)式中：PA-atm,A-限定組分。若粒子為圓柱形高和直徑都為0.5cm,粒子密度ρP=0.8g/mL,粒子外表面上PA的分壓為：PAs=0.1atm,粒子內(nèi)A組分的擴散系數(shù)De=0.25cm2/s,求催化劑的有效因數(shù)？粒子尺寸變?yōu)?.1cm和1.0cm時，有效因數(shù)如何？解：（1）將以催化劑重量定義的速率方程變?yōu)榇呋瘎w積定義的速率方程：-r，A=7.5*10-3PAmol/(s*g)*ρP（g/mL）=7.5*10-3RTCAρP[mol/（smL）]=7.5*10-3*82.06(273+500)*0.8CA[mol/（s*mL）]=380.65CA(2)求西勒模數(shù)Фs=dp/6*(kv/De)1/2 =0.5/6*(380.65/0.25)1/2 =3.24>3為強內(nèi)擴散阻力（3）求有效因數(shù)η=1/Фs=1/3.24=0.31（4）粒子尺寸變?yōu)?.1cm和1.0cm時，有效因數(shù)Фs（0.1）=dp/6*(kv/De)1/2=0.1/6*(380.65/0.25)1/2=0.651<1此時，無內(nèi)擴散阻力，η=1Фs（1）=dp/6*(kv/De)1/2=1/6*(380.65/0.25)1/2=6.25〉3為強內(nèi)擴散阻力η=1/Фs=1/6.25=0.153在一粒徑為1.5厘米的催化劑固定床反應器中進行A→R一級反應,催化劑的擴散系數(shù)De=0.005cm2/s,催化劑密度ρP=1200g/L,其本征速率常數(shù)為2s-1,進料體積流量為20m3/min,要求轉(zhuǎn)化率0.95，床層堆積密度ρB=1000kg/m3,解：(1)求西勒模數(shù)和有效因數(shù)Фs=dp/6*(kv/De)1/2=1.5/6*(2/0.005)1/2=5η=1/Фs=1/5=0.2,宏觀速率常數(shù)為k（宏）=ηk（本）=0.2*2=0.4S-1(2)求反應器體積因為VR/FA0=VR/CAv0=∫0.950dXA/(-rA)