反應(yīng)工程習(xí)題答案95完整版

1、 1 緒 論1.1在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)： 進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%。試計(jì)算（1） （1）   反應(yīng)的選擇性；（2） （2）   反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（1）由（1.7）式得反應(yīng)的選擇性為： （2）進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料量為100mol時(shí)，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/（2+4+1.3）=0.274027.40空氣4/（2+4+1.3）

2、=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81總計(jì)1.000100.0設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為YP，根據(jù)（1.3）和（1.5）式可得反應(yīng)器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩爾數(shù)nA、nP和nc分別為：nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol結(jié)合上述反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式，水（nW）、氧氣（nO）和氮?dú)猓╪N）的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 molnN=nN0=43.28 mol所以，反應(yīng)器出口氣體組

3、成為：組分摩爾數(shù)（mol）摩爾分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.39  1. 1.   2工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)如下：  由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應(yīng)后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流程示意

4、圖冷凝分離合成 原料氣 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體  原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（mol）組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的組成為CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過程中可部分溶解于粗甲醇中，對(duì)1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,C

5、H4 2.14g,N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計(jì)算：（1） （1）   一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（2） （2）   甲醇的單程收率和全程收率。解：（1）設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844總計(jì) 1001

6、00100其中xi=yiMi/yiMi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=yiMi=10.42kg/kmol。經(jīng)冷凝分離后的氣體組成（亦即放空氣體的組成）如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計(jì) 100其中冷凝分離后氣體平均分子量為 Mm=yiMi=9.554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的N2作衡算得：5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A (B) 聯(lián)立（A）、（

7、B）兩個(gè)方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431 kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器出口處的CO摩爾流量為FCO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm=(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=

8、21.25 kmol/h所以，甲醇的全程收率為Y總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為Y單=21.25/138.4=15.36%2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.1在一體積為4L的恒容反應(yīng)器中進(jìn)行A的水解反應(yīng)，反應(yīng)前 A的含量為12.23%（重量），混合物的密度為1g/mL，反應(yīng)物A的分子量為88。在等溫常壓下不斷取樣分析，測(cè)的組分A的濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如下：反應(yīng)時(shí)間（h）1.02.03.04.05.06.07.08.09.0CA(mol/L)0.90.610.420.280.170.120.080.0450.03試求反應(yīng)時(shí)間為3.5h的A的水解速率。解：利用反應(yīng)時(shí)間與組分A的濃度變化

9、數(shù)據(jù)，作出CAt的關(guān)系曲線，用鏡面法求得t=3.5h時(shí)該點(diǎn)的切線，即為水解速率。切線的斜率為由（2.6）式可知反應(yīng)物的水解速率為 2.2在一管式反應(yīng)器中常壓300等溫下進(jìn)行甲烷化反應(yīng)： 催化劑體積為10ml，原料氣中CO的含量為3%，其余為N2,H2氣體，改變進(jìn)口原料氣流量Q0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得出口CO的轉(zhuǎn)化率為：Q0(ml/min)83.367.650.038.529.422.2X(%)203040506070試求當(dāng)進(jìn)口原料氣體流量為50ml/min時(shí)CO的轉(zhuǎn)化速率。解：是一個(gè)流動(dòng)反應(yīng)器，其反應(yīng)速率式可用（2.7）式來表示故反應(yīng)速率可表示為：用XAVR/Q0作圖，過VR/Q0=0.20

10、min的點(diǎn)作切線，即得該條件下的dXA/d(VR/Q0)值。VR/Q0min0.120.1480.200.260.340.45XA%20.030.040.050.060.070.0 故CO的轉(zhuǎn)化速率為2.3已知在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：式中yCO和yCO2為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率，0.1MPa壓力及700K時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化劑的比表面積為30m2/g，堆密度為1.13g/cm3，試計(jì)算：（1） （1）   以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kV。（2） （2）   以反應(yīng)

11、相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kg。（3） （3）   以分壓表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kg。（4） （4）   以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時(shí)的速率常數(shù)kC。解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得問題的解。注意題中所給比表面的單位換算成m2/m3。2.4在等溫下進(jìn)行液相反應(yīng)A+BC+D，在該條件下的反應(yīng)速率方程為：若將A和B的初始濃度均為3mol/l的原料混合進(jìn)行反應(yīng)，求反應(yīng)4min時(shí)A的轉(zhuǎn)化率。解：由題中條件知是個(gè)等容反應(yīng)過程，且A和B的初始濃度均相等，即為1.5mol/l，故可把反應(yīng)速率式簡(jiǎn)化，得由（2.6）式可知代入速率方程式化簡(jiǎn)整理得積分得解得

12、XA=82.76%。 2.5氨合成塔入口的氣體組成為3.5%NH3,20.8%N2,62.6%H2,7.08%Ar及5.89CH4。該塔是在30MPa壓力下操作。已知催化劑床層中某處的溫度為490，反應(yīng)氣體中氨含量為10%（mol），試計(jì)算該處的反應(yīng)速率。在Fe催化劑上氨合成反應(yīng)速率式為：逆反應(yīng)的活化能。450時(shí)，且，490時(shí)，Kp可按下式計(jì)算：注：m3為標(biāo)準(zhǔn)立方米。解：題中給出450時(shí)的k2值，而反應(yīng)是在490下，故首先要求出490時(shí)的k2值。利用（2.27）試，求出頻率因子A:490的Kp值由題給公式計(jì)算出求k1值： 求各組分的分壓值：各組分的分率及分壓值為NH310%pNH3=

13、3MPaN219.06%pN2=5.718MPaH257.18%pH2=17.15MPaAr+ CH413.79%pAr+ CH4=4.137MPa反應(yīng)速率為：2.6下面是兩個(gè)反應(yīng)的T-X圖，圖中AB是平衡曲線，NP是最佳溫度曲線，AM是等溫線，HB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：（1） （1）   是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？（2） （2）   是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？（3） （3）   在等溫線上，A,D,O,E,M點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最?。浚?） （4）   在等轉(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,F及B點(diǎn)中

14、，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？（5） （5）   在C,R兩點(diǎn)中，誰的速率大？（6） （6）   根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？解： 圖2.1 圖2.2（1）可逆反應(yīng) 可逆反應(yīng)（2）放熱反應(yīng) 吸熱反應(yīng) (3)M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小 M點(diǎn)速率最大，A點(diǎn)速率最小 (4)O點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小 H點(diǎn)速率最大，B點(diǎn)速率最小 (5)R點(diǎn)速率大于C點(diǎn)速率 C點(diǎn)速率大于R點(diǎn)速率 (6)M點(diǎn)速率最大 根據(jù)等速線的走向來判斷H,M點(diǎn)的速率大小。 2.7在進(jìn)行一氧化碳變換反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中，采用B106催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得正反應(yīng)活化能為,如果

15、不考慮逆反應(yīng)，試問反應(yīng)溫度是550時(shí)的速率比反應(yīng)溫度是400時(shí)的速率大多少倍？解：從題中可知，反應(yīng)條件除了溫度不同外，其它條件都相同，而溫度的影響表現(xiàn)在反應(yīng)速率常數(shù)k上，故可用反應(yīng)速率常數(shù)之比來描述反應(yīng)速率之比。2.8常壓下，在釩催化劑上進(jìn)行SO2氧化反應(yīng)，原料氣組成為7%O2及82%N2。試計(jì)算轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的最佳溫度。二氧化硫在釩催化劑上氧化的正反應(yīng)活化能為，化學(xué)計(jì)量數(shù)等于2，反應(yīng)式為：其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為：該反應(yīng)的熱效應(yīng)。解：（1）求出轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)各組分的分壓：以100mol為基準(zhǔn)xSO2O2SO3N207.011.0082.0100.00.807(1-0.80)=1.411-

16、5.6×0.5=8.25.6082.097.2 （2）求與上述組成對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)KP值：(3)求平衡溫度Te(4)利用（2.31）式求逆反應(yīng)活化能值(5)利用（2.31）式求最佳溫度TOP2.9在一恒容反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)： 式中rR,rD分別表示產(chǎn)物R及D的生成速率。反應(yīng)用的原料為A與B的混合物，其中A的濃度為2kmol/m3，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間。解：反應(yīng)物A的消耗速率應(yīng)為兩反應(yīng)速率之和，即利用（2.6）式積分之2.10在催化劑上進(jìn)行三甲基苯的氫解反應(yīng)：反應(yīng)器進(jìn)口原料氣組成為66.67%H2,33.33%三甲基苯。在0.1Mpa及523K下等溫反應(yīng)，當(dāng)反

17、應(yīng)器出口三甲基苯的轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，其混合氣體的氫含量為20%，試求：（1） （1）   此時(shí)反應(yīng)器出口的氣體組成。（2） （2）   若這兩個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程分別為：則出口處二甲基苯的生成速率是多少？解：以100mol為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè)X為三甲基苯的轉(zhuǎn)化率，Y為生成的甲苯摩爾數(shù)。（1） （1）   用物料衡算求出口氣體組成：組分名稱X=0時(shí)X=0.8時(shí)三甲基苯(A)33.3333.33（1-X）氫（B）66.6766.67-33.33X-Y二甲基苯(C)033.33X-Y甲烷(D)033.33X+Y甲基苯（E）0Y100.0100.0由

18、題給條件可知，混合氣中氫的含量為20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20解得Y=66.67-33.33×0.8-20=20.01kmol（甲苯量）生成的二甲基苯量：33.33×0.8-20.01=6.654kmol生成的甲烷量：33.33×0.8+20.01=46.67kmol剩余的三甲基苯量：33.33×（1-0.8）=6.666kmol氫氣含量為：20kmol故出口尾氣組成為：三甲基苯6.666%，氫氣20%，二甲基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%。（2） （2）   由題給條件可知，三甲基苯的出口濃

19、度為： 2.11在210等溫下進(jìn)行亞硝酸乙脂的氣相分解反應(yīng)：該反應(yīng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為，若反應(yīng)是在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的起始總壓為0.1013MPa，采用的是純亞硝酸乙脂，試計(jì)算亞硝酸乙脂分解率為80%時(shí)，亞硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率。若采用恒壓反應(yīng)，乙醇的生成速率又是多少？解：（1）恒容過程，其反應(yīng)式可表示為：反應(yīng)速率式表示為：設(shè)為理想氣體，反應(yīng)物A的初始濃度為：亞硝酸乙脂的分解速率為：乙醇的生成速率為：（2）恒壓過程，由于反應(yīng)前后摩爾數(shù)有變化，是個(gè)變?nèi)葸^程，由（2.49）式可求得總摩爾數(shù)的變化。由于反應(yīng)物是純A，故有：yA0=1。由（2.52）式可求得

20、組分的瞬間濃度：乙醇的生成速率為： 2.12甲烷與水蒸氣在鎳催化劑及750等溫下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)為：原料氣中甲烷與水蒸氣的摩爾比為1：4，若這個(gè)反應(yīng)對(duì)各反應(yīng)物均為一級(jí)，已知k=2l/mol.s,試求：（1） （1）   反應(yīng)在恒容下進(jìn)行，系統(tǒng)的初始總壓為0.1013MPa，當(dāng)反應(yīng)器出口的CH4轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)，CO2和H2的生成速率是多少？（2） （2）   反應(yīng)在恒壓下進(jìn)行，其他條件如（1），CO2的生成速率又是多少？解：（1）由題意可將反應(yīng)速率表示為：對(duì)于恒容過程，則有當(dāng)XA0=0.8時(shí)（2）對(duì)于恒壓過程，是個(gè)變?nèi)莘磻?yīng)過程，由（2.49）式可求得

21、總摩爾數(shù)的變化反應(yīng)物A的原始分率：由（2.52）式可求得轉(zhuǎn)化率為80%時(shí)的濃度：2.13在473K等溫及常壓下進(jìn)行氣相反應(yīng)：（1） （2） （3） 式中CA為反應(yīng)物A的濃度（mol/l），原料中A和惰性氣體各為一半（體積比），試求當(dāng)A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時(shí)，其轉(zhuǎn)化速率是多少？解：方法（1），先求出總摩爾變化數(shù)。首先將產(chǎn)物的生成速率變?yōu)閷?duì)應(yīng)的反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化速率：總反應(yīng)速率為：以一摩爾反應(yīng)物A為基準(zhǔn)，總摩爾變化數(shù)為：初始濃度為：則有方法（2），可將CA表示為：方法（3），利用物料衡算可分別求出反應(yīng)物A生成R及S的瞬間選擇性SR,SS,因而可求出產(chǎn)物R及S的收率yR,yS,求得A轉(zhuǎn)化率為85%時(shí)的分率：其

22、中： 2.14在Pt催化劑上進(jìn)行異丙苯分解反應(yīng)：以A,B及R分別表示異丙苯，苯及丙烯，反應(yīng)步驟如下：（1） （2）（3）若表面反應(yīng)為速率控制步驟，試推導(dǎo)異丙苯分解的速率方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)外，其它兩步達(dá)到平衡，描述如下：以表面反應(yīng)速率方程來代表整個(gè)反應(yīng)的速率方程：由于將代入上式得：整理得：將代入速率方程中其中 2.15在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)：化作其反應(yīng)步驟可表示如下：（1） （2） （3）（4）若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：根據(jù)速率控制步驟及定態(tài)近似原理，除表面反應(yīng)步驟外，其余近似達(dá)到平衡，寫出相應(yīng)的覆蓋率表達(dá)式：整

23、個(gè)反應(yīng)的速率方程以表面反應(yīng)的速率方程來表示：根據(jù)總覆蓋率為1的原則，則有：或整理得：將代入反應(yīng)速率方程，得：其中2.16設(shè)有反應(yīng)，其反應(yīng)步驟表示如下：（1） （2）（3）若（1）速率控制步驟，試推導(dǎo)其動(dòng)力學(xué)方程。解：先寫出各步的速率式：由于（1）是速率控制步驟，第（2）步是不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率應(yīng)等于（1）的吸附速率，故有：整理得：根據(jù)定態(tài)近似原則因?yàn)閷⒋肷鲜剑?jiǎn)后得：最后將代入吸附速率式，即為該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。2.17一氧化碳變換反應(yīng)：在較低溫度下，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：試擬定該反應(yīng)的合適的反應(yīng)步驟。解：根據(jù)題意，假設(shè)反應(yīng)步驟如下：并假設(shè)第二步是控制步驟，其速率方程就代表了整個(gè)反應(yīng)的

24、速率方程：其余的兩步可認(rèn)為達(dá)到平衡，則有：由于，有：將代入速率式，得：式中。故上述假定與題意符合。但上述假定的反應(yīng)步驟不是唯一的。 2.18利用習(xí)題2.1的數(shù)據(jù)，試用積分法和微分法求其動(dòng)力學(xué)方程。解：先用積分法求其動(dòng)力學(xué)方程。設(shè)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，其速率表達(dá)式為：積分得：用t作圖。t(h)0123456789 0 0.442 0.831 1.253 1.609 2.108 2.457 2.862 3.438 3.843作圖得一直線，其斜率為0.425h-1，故假設(shè)一級(jí)反應(yīng)是合理的，其動(dòng)力

25、學(xué)方程可表示為：用微分法求解動(dòng)力學(xué)方程首先用CAt曲線，在曲線上取時(shí)間為0，1，2，9h所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切線，為了準(zhǔn)確可采用鏡面法，求得各切線的斜率即為對(duì)應(yīng)的dCA/dt之值，然后再以dCA/dtCA作圖，所求的dCA/dt值如下表所示：t(h)0123456789CA(mol/l)1.400.900.610.400.280.170.120.080.0450.03dCA/dt(mol/l.h)0.700.450.2950.1910.1470.0950.060.0330.0250.015設(shè)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，用dCA/dtCA作圖得一直線，其斜率為0.5h-1，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：或?qū)⑺俾史匠讨本€化，

26、即兩邊取對(duì)數(shù)，得：可簡(jiǎn)化為y=b+ax形式，利用多元回歸，可求得反應(yīng)級(jí)數(shù)n=1.0041，反應(yīng)速率常數(shù)值為k=0.4996。還可用一數(shù)學(xué)公式來擬合CAt曲線，然后再將該數(shù)學(xué)公式對(duì)t求導(dǎo)，求得dCA/dt之值，此法會(huì)比作圖法來的準(zhǔn)確。 2.19在Ni催化劑上進(jìn)行甲烷化反應(yīng)：由實(shí)驗(yàn)測(cè)得200時(shí)甲烷的生成速率RCH4及CO和H2的分壓pCO,pH 2的關(guān)系如下：pCO(MPa)0.100.180.4080.721.05pH2(MPa)0.10130.10130.10130.10130.1013RCH4若該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程可用冪函數(shù)表示，試用最小二乘法求一氧化碳的反應(yīng)級(jí)數(shù)及正反應(yīng)速率常數(shù)。解

27、：由題意可寫出速率方程式：但由于氫的分壓保持為0.1013MPa的恒定值，反應(yīng)速率式可簡(jiǎn)化為：式中。將速率式直線化： 或式中，由殘差平方和最小而導(dǎo)出最小二乘法的系數(shù)計(jì)算式：序號(hào)yxx2xy1-4.916-2.3035.30211.322-4.328-1.7152.9417.4213-3.507-0.8970.8043.1444-2.941-0.3290.1080.9665-2.564-0.0490.002-0.125-18.26-5.2939.15722.73將累加值代入a,b系數(shù)式中，得： 2.20在鉑催化劑上，乙烯深度氧化的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：式中pA,pB分別表示乙烯及氧的分壓

28、。在473K等溫下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：號(hào)pA×103MPapB×103MPar×104mol/g.min18.9903.2300.672214.223.0001.07238.8604.0800.59848.3202.0300.71354.3700.8900.61067.7501.7400.83477.7501.8200.82886.1701.7300.65696.1301.7300.694106.9801.5600.791112.8701.0600.418試求該溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k和吸附平衡常數(shù)KB。解：首先將動(dòng)力學(xué)方程式直線化：或y=b+ax。其中序號(hào)yx

29、5;103x2×105xy×103r×104,%10.6573.3201.0432.1230.6780.9020.6313.0000.9001.8921.1265.030.7784.0801.6653.1720.5685.040.4872.0200.4120.9880.82916.350.2530.8900.0790.2250.5824.660.4021.7400.3030.7000.8330.170.4131.8200.3310.7510.8161.480.4031.7300.2990.6980.6651.490.3911.7300.2990.6760.6614

30、.8100.3711.5600.2430.5790.7870.5110.2701.0600.1120.2860.36911.75.05622.875.66812.09 平均偏差，結(jié)果是令人滿意的。 3 釜式反應(yīng)器3.1在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行乙酸乙酯皂化反應(yīng)：該反應(yīng)對(duì)乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級(jí)。反應(yīng)開始時(shí)乙酸乙酯及氫氧化鈉的濃度均為0.02mol/l，反應(yīng)速率常數(shù)等于5.6l/mol.min。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。試問：（1） （1）   當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為1m3時(shí)，需要多長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間？（2） （2）   若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m

31、3，所需的反應(yīng)時(shí)間又是多少？解：（1）(2) 因?yàn)殚g歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以反應(yīng)時(shí)間仍為2.83h。 3.2擬在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行氯乙醇的皂化反應(yīng)：以生產(chǎn)乙二醇，產(chǎn)量為20/h，使用15%（重量）的NaHCO3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反應(yīng)器裝料中氯乙醇和碳酸氫鈉的摩爾比為1：1，混合液的比重為1.02。該反應(yīng)對(duì)氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于5.2l/mol.h，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。（1） （1）   若輔助時(shí)間為0.5h，試計(jì)算反應(yīng)器的有效體積；（2） （2）   若裝填系數(shù)取0

32、.75，試計(jì)算反應(yīng)器的實(shí)際體積。解：氯乙醇，碳酸氫鈉，和乙二醇的分子量分別為80.5,84 和 62kg/kmol,每小時(shí)產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小時(shí)需氯乙醇：每小時(shí)需碳酸氫鈉：原料體積流量：氯乙醇初始濃度：反應(yīng)時(shí)間：反應(yīng)體積：（2） （2）   反應(yīng)器的實(shí)際體積： 3.3丙酸鈉與鹽酸的反應(yīng)：為二級(jí)可逆反應(yīng)（對(duì)丙酸鈉和鹽酸均為一級(jí)），在實(shí)驗(yàn)室中用間歇反應(yīng)器于50等溫下進(jìn)行該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)開始時(shí)兩反應(yīng)物的摩爾比為1，為了確定反應(yīng)進(jìn)行的程度，在不同的反應(yīng)時(shí)間下取出10ml反應(yīng)液用0.515N的NaOH溶液滴定，以確定未反應(yīng)鹽酸濃度。不同反應(yīng)

33、時(shí)間下，NaOH溶液用量如下表所示：時(shí)間，min010203050NaOH用量，ml52.232.123.518.914.410.5現(xiàn)擬用與實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)條件相同的間歇反應(yīng)器生產(chǎn)丙酸，產(chǎn)量為500kg/h，且丙酸鈉的轉(zhuǎn)化率要達(dá)到平衡轉(zhuǎn)化率的90%。試計(jì)算反應(yīng)器的反應(yīng)體積。假定（1）原料裝入以及加熱至反應(yīng)溫度（50）所需的時(shí)間為20min，且在加熱過程中不進(jìn)行反應(yīng)；（2）卸料及清洗時(shí)間為10min；（3）反應(yīng)過程中反應(yīng)物密度恒定。解：用A,B,R,S分別表示反應(yīng)方程式中的四種物質(zhì)，利用當(dāng)量關(guān)系可求出任一時(shí)刻鹽酸的濃度（也就是丙酸鈉的濃度，因?yàn)槠溆?jì)量比和投量比均為1：1）為：于是可求出A的平衡轉(zhuǎn)化率：

34、現(xiàn)以丙酸濃度對(duì)時(shí)間作圖： 由上圖，當(dāng)CA=0.0515×14.7mol/l時(shí)，所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為48min。由于在同樣條件下，間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以該生產(chǎn)規(guī)模反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間也是48min。丙酸的產(chǎn)量為：500kg/h=112.6mol/min。所需丙酸鈉的量為:112.6/0.72=156.4mol/min。原料處理量為：反應(yīng)器體積：實(shí)際反應(yīng)體積： 3.4在間歇反應(yīng)器中，在絕熱條件下進(jìn)行液相反應(yīng)：其反應(yīng)速率方程為：式中組分A及B的濃度CA及CB以kmol/m3為單位，溫度T的單位為K。該反應(yīng)的熱效應(yīng)等于-4000kJ/kmol。反應(yīng)開始時(shí)溶

35、液不含R，組分A和B的濃度均等于0.04kmol/m3，反應(yīng)混合物的平均熱容按4.102kJ/m3.K計(jì)算。反應(yīng)開始時(shí)反應(yīng)混合物的溫度為50。（1） （1）   試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間及此時(shí)的反應(yīng)溫度。（2） （2）   如果要求全部反應(yīng)物都轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物R，是否可能？為什么？解：(1) （由數(shù)值積分得出）(2)若A全部轉(zhuǎn)化為R,即XA=1.0,則由上面的積分式知，t,這顯然是不可能的。 3.5在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)：A的初始濃度為0.1kmol/m3,C，D的初始濃度為零，B過量，反應(yīng)時(shí)間為t1時(shí)，CA=0.055kmol/

36、m3，CC=0.038 kmol/m3，而反應(yīng)時(shí)間為t2時(shí)，CA=0.01 kmol/m3，CC=0.042kmol/m3，試求：（1） （1）   k2/k1;（2） （2）   產(chǎn)物C的最大濃度；（3） （3）   對(duì)應(yīng)C的最大濃度時(shí)A的轉(zhuǎn)化率。解：(1)因?yàn)锽過量，所以：恒容時(shí)： （A） (B)（B）式除以（A）式得：解此微分方程得： （C）將t1,CA,CC及t2,CA,CC數(shù)據(jù)代入（C）式化簡(jiǎn)得：解之得： (2)先求出最大轉(zhuǎn)化率:(3)產(chǎn)物C的最大收率：產(chǎn)物C的最大濃度： 3.6 在等溫間歇反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng)初始

37、的反應(yīng)物料中不含A2和A3，A1的濃度為2mol/l，在反應(yīng)溫度下k1=4.0min-1,k2=3.6min-1,k3=1.5min-1。試求:（1） （1）   反應(yīng)時(shí)間為1.0min時(shí)，反應(yīng)物系的組成。（2） （2）   反應(yīng)時(shí)間無限延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)物系的組成。（3） （3）   將上述反應(yīng)改為反應(yīng)時(shí)間無限延長(zhǎng)時(shí)，反應(yīng)物系的組成。解：根據(jù)題中給的兩種反應(yīng)情況，可分別列出微分方程，然后進(jìn)行求解。但仔細(xì)分析這兩種情況，其實(shí)質(zhì)是下述反應(yīng)的特例： (A)當(dāng)時(shí)，（A）式變?yōu)?(B)當(dāng)時(shí)，（A）式變?yōu)?(C)當(dāng)時(shí)，（A）式變?yōu)?(D)其中式（D）

38、即為書講的一級(jí)不可逆連串反應(yīng)?？梢娭灰玫剑ˋ）式的解，則可容易化簡(jiǎn)得到（B）,(C)及(D)式的解。對(duì)于(A)式，可列出如下微分方程組： (1) (2) (3)由題意知初始條件為： (4)聯(lián)立求解此微分方程組可得： (5) (6) (7)式中，由如下式確定： (8) (9)現(xiàn)在可用上述結(jié)果對(duì)本題進(jìn)行計(jì)算：（1）由（5）（9）式得（2）當(dāng)t時(shí)，由（5）（9）式得（3）此時(shí)為的情況，當(dāng)t時(shí)，由得： 3.7擬設(shè)計(jì)一反應(yīng)裝置等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：目的產(chǎn)物為R，B的價(jià)格遠(yuǎn)較A貴且不易回收，試問：（1） （1）   如何選擇原料配比？（2） （2）  

39、若采用多段全混流反應(yīng)器串聯(lián)，何種加料方式最好？（3） （3）   若用半間歇反應(yīng)器，加料方式又如何？解：（1）由上式知，欲使S增加，需使CA低，CB高，但由于B的價(jià)格高且不易回收，故應(yīng)按主反應(yīng)的計(jì)量比投料為好。（2）保證CA低，CB高，故可用下圖所示的多釜串聯(lián)方式： （3）用半間歇反應(yīng)器，若欲使CA低，CB高，可以將B一次先加入反應(yīng)器，然后滴加A.3.8在一個(gè)體積為300l的反應(yīng)器中86等溫下將濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液分解：生產(chǎn)苯酚和丙酮。該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于0.08s-1,最終轉(zhuǎn)化率達(dá)98.9%，試計(jì)算苯酚的產(chǎn)量。（

40、1） （1）   如果這個(gè)反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時(shí)間為15min;（2） （2）   如果是全混流反應(yīng)器；（3） （3）   試比較上二問的計(jì)算結(jié)果；（4） （4）   若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果怎樣？解：（1）苯酚濃度苯酚產(chǎn)量（2）全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量（3）說明全混釜的產(chǎn)量小于間歇釜的產(chǎn)量，這是由于全混釜中反應(yīng)物濃度低，反應(yīng)速度慢的原因。（4）由于該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，由上述計(jì)算可知，無論是間歇反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器，其原料處理量不變，但由于CAB增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述

41、兩個(gè)反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。 3.9在間歇反應(yīng)器中等溫進(jìn)行下列液相反應(yīng)：rD及rR分別為產(chǎn)物D及R的生成速率。反應(yīng)用的原料為A及B的混合液，其中A的濃度等于2kmol/m3。（1） （1）   計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%時(shí)所需的反應(yīng)時(shí)間；（2） （2）   A的轉(zhuǎn)化率為95%時(shí)，R的收率是多少？（3） （3）   若反應(yīng)溫度不變，要求D的收率達(dá)70%，能否辦到？（4） （4）   改用全混反應(yīng)器操作，反應(yīng)溫度與原料組成均不改變，保持空時(shí)與（1）的反應(yīng)時(shí)間相同，A的轉(zhuǎn)化率是否可達(dá)到95%？（5） （5）&

42、#160;  在全混反應(yīng)器中操作時(shí)，A的轉(zhuǎn)化率如仍要求達(dá)到95%，其它條件不變，R的收率是多少？（6） （6）   若采用半間歇操作，B先放入反應(yīng)器內(nèi)，開始反應(yīng)時(shí)A按（1）計(jì)算的時(shí)間均速加入反應(yīng)器內(nèi)。假如B的量為1m3，A為0.4m3，試計(jì)算A加完時(shí)，組分A所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：（1）第二章2.9題已求出t=0.396h=24.23min(2) (3)若轉(zhuǎn)化率仍為0.95，且溫度為常數(shù)，則D的瞬時(shí)選擇性為：D的收率：這說明能使D的收率達(dá)到70%（4）對(duì)全混流反應(yīng)器，若使=t=0.3958h,則有解之得：CA=0.4433所以：這說明在這種情況下轉(zhuǎn)化率達(dá)不

43、到95%。（5） （5）   對(duì)全混流反應(yīng)器，若X=0.95,則R的收率為：（6）依題意知半間歇式反應(yīng)器屬于連續(xù)加料而間歇出料的情況。為了求分組A的轉(zhuǎn)化率及R的收率，需要求出A及R 的濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系，現(xiàn)列出如下的微分方程組：對(duì)A: （1）對(duì)R: （2） （3）在反應(yīng)時(shí)間（t=0.4038h,為方便起見取t 0.4h）內(nèi)將0.4 m3的A均速加入反應(yīng)器內(nèi)，故采用間歇釜操作時(shí)，原料為A與B的混合物，A的濃度為2kmol/ m3.現(xiàn)采用半間歇釜操作，且，故可算出原料A的濃度為：由于：代入（1），（2）式則得如下一階非線性微分方程組： （4） （5）初始條件：t=0,CA=0

44、,CR=0可用龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值求解。取步長(zhǎng)t=0.02h，直至求至t=0.4h即可。用t=0.4h時(shí)的CA和CR可以進(jìn)行A的轉(zhuǎn)化率和R的收率計(jì)算：式中VA為所加入的A的體積，且VA=0.4m3;CA0為所加入的A的濃度，且CA0=7kmol/m3；V為反應(yīng)結(jié)束時(shí)物系的體積，V=1.4m3。同理可以計(jì)算出R的收率：3.10在兩個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的系統(tǒng)中等溫進(jìn)行液相反應(yīng)：加料中組分A的濃度為0.2kmol/m3,流量為4m3/h,要求A的最終轉(zhuǎn)化率為90%，試問：（1） （1）   總反應(yīng)體積的最小值是多少？（2） （2）   此時(shí)目的產(chǎn)物B的收率是多少

45、？（3） （3）   如優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)改為B的收率最大，最終轉(zhuǎn)化率為多少？此時(shí)總反應(yīng)體積最小值是多少？解：（1）對(duì)上式求dVr/dXA1=0可得：將XA2=0.9代入上式，則解之得XA1=0.741所以總反應(yīng)體積的最小值為(2)即解得CB1=0.005992 kmol/m3同理解得CB2=0.00126 kmol/m3B的收率：(3)目標(biāo)函數(shù)改為B的收率，這時(shí)的計(jì)算步驟如下：對(duì)于第i個(gè)釜，組分A,B的衡算方程分別為：對(duì)A: 對(duì)B: 當(dāng)i=1時(shí)， （1） （2）當(dāng)i=2時(shí)， （3） （4）由（1）式解出CA1代入（2）式可解出CB1; 由（1）式解出CA1代入（3）式可解出CA

46、2;將CB1及CA2代入（4）式可解出CB2,其為1,2的函數(shù)，即 （5）式中CA0為常數(shù)。由題意，欲使CB2最大，則需對(duì)上述二元函數(shù)求極值:聯(lián)立上述兩個(gè)方程可以求出1及2。題中已給出Q0,故由可求出CB2最大時(shí)反應(yīng)器系統(tǒng)的總體積。將1,2代入（5）式即可求出B的最高濃度，從而可進(jìn)一步求出YBmaX.將1,2代入CA2，則由XA2=(CA0-CA2)/CA0可求出最終轉(zhuǎn)化率。 3.11在反應(yīng)體積為490cm3的CSTR中進(jìn)行氨與甲醛生成烏洛托品的反應(yīng)：式中（A）-NH3,(B)HCHO,反應(yīng)速率方程為：式中。氨水和甲醛水溶液的濃度分別為1.06mol/l和6.23mol/l,各自以1

47、.50cm3/s的流量進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度可取為36，假設(shè)該系統(tǒng)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CA及CB。解：即得：整理得：解得：XAf=0.821反應(yīng)器出口A,B得濃度分別為：  3.12在一多釜串聯(lián)系統(tǒng)，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸進(jìn)行可逆反應(yīng)。各個(gè)反應(yīng)器的體積均為0.01m3，反應(yīng)溫度為100，酯化反應(yīng)的速率常數(shù)為4.76×10-4l/mol.min,逆反應(yīng)（酯的水解）的速率常數(shù)為1.63×10-4 l/mol.min。反應(yīng)混合物的密度為864kg/m3,欲使醋酸的轉(zhuǎn)化率達(dá)60%，求此串聯(lián)系統(tǒng)釜的數(shù)目。

48、解：等體積的多釜串聯(lián)系統(tǒng)A,B,C,D分別代表乙酸，乙酸乙酯和水。由計(jì)量關(guān)系得：從已知條件計(jì)算出：將上述數(shù)據(jù)代入（A）式，化簡(jiǎn)后得到：若i=1,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=2,則（B）式變?yōu)椋航庵茫喝鬷=3,則（B）式變?yōu)椋航庵茫杭矗喝?lián)能滿足要求。 3.13以硫酸為催化劑，由醋酸和丁醇反應(yīng)可制得醋酸丁酯。倉(cāng)庫(kù)里閑置著兩臺(tái)反應(yīng)釜，一臺(tái)的反應(yīng)體積為3m3,另一臺(tái)則為1m3。現(xiàn)擬將它們用來生產(chǎn)醋酸丁酯，初步?jīng)Q定采用等溫連續(xù)操作，原料中醋酸的0.濃度為0.15kmol/m3，丁酯則大量過剩，該反應(yīng)對(duì)醋酸為2級(jí)，在反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)等于1.2m3/h.kmol，要求醋酸的最終轉(zhuǎn)

49、化率不小于50%，這兩臺(tái)反應(yīng)釜可視為全混反應(yīng)器，你認(rèn)為采用怎樣的串聯(lián)方式醋酸丁酯的產(chǎn)量最大？為什么？試計(jì)算你所選用的方案得到的醋酸丁酯產(chǎn)量。如果進(jìn)行的反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，這兩臺(tái)反應(yīng)器的串聯(lián)方式又應(yīng)如何？解：因?yàn)榉磻?yīng)級(jí)數(shù)大于1，所以聯(lián)立方式應(yīng)當(dāng)是小釜在前，大釜在后才能使醋酸丁酯產(chǎn)量最大?，F(xiàn)進(jìn)行計(jì)算：二式聯(lián)立化簡(jiǎn)后得到：（將XA2=0.5代入）解之得：XA1=0.223醋酸丁酯產(chǎn)量=如果進(jìn)行的是一級(jí)反應(yīng)，可進(jìn)行如下計(jì)算：（1） （1）   小反應(yīng)器在前，大反應(yīng)器在后:聯(lián)立二式，且將XA2=0.5代入，化簡(jiǎn)后得到:解得：XA1=0.1771所以有：醋酸丁酯產(chǎn)量=(2)大反應(yīng)器在前，小反應(yīng)器在后:解得XA1=0.3924所以有：產(chǎn)量同前。說明對(duì)此一級(jí)反應(yīng)，連接方式?jīng)]有影響。 3.14等溫下進(jìn)行1.5級(jí)液相不可逆反應(yīng)：。反應(yīng)速率常數(shù)等于5m1.5/kmol1.5.h，A的濃度為2kmol/m3