化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題化學(xué)反應(yīng)工程課后習(xí)題2-4間歇反應(yīng)器：CA0和xA相同（T1=20時，反應(yīng)時間t1=8d；T2=120 時，反應(yīng)時間t2=10min），試估算 Ea1101(1)11nnAAktcxn)11(ln2112TTREkka67.55/aEkJ mol2112ttkk=knAArC反應(yīng)轉(zhuǎn)化量反應(yīng)時間 反應(yīng)區(qū)第2章 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)第1頁/共49頁2-5C2H4二聚反應(yīng)：(1) T=200，Ea=156.9 kJ/mol； C2H6二聚反應(yīng)：(2) T=200，Ea=104.6 kJ/mol。為使反應(yīng)速率加倍，要提高多少溫度？211211ln()aEkkR TT221111l

2、naTRkTEk（1）CTTTo4 . 812CTTTo7 .1212（2）若使反應(yīng)速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的溫度愈小若使反應(yīng)速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的溫度愈小第2頁/共49頁2-6反應(yīng)溫度上升反應(yīng)溫度上升10，反應(yīng)速率加倍，反應(yīng)速率加倍，Ea與與T之間的關(guān)系？之間的關(guān)系？當(dāng)當(dāng)T1(K)=300、400、600、800和和1000K時，求時，求Ea)11(ln2112TTREkk11ln 2()10aERTT0.5763 (10)aET TT（K）3004006008001000Ea（kJ/mol）53.5994.51210.92373.43582.05第3頁/共49頁3-

3、1間歇反應(yīng)器，間歇反應(yīng)器，n=2，t1=5min時，轉(zhuǎn)化率時，轉(zhuǎn)化率xA=50%;若要若要xA=75%，需增加多長時間？，需增加多長時間？01AAAxc ktx0112120211AAAAAAcktxxxxcktmin152t3121tt2110 minttt 第3章 理想間歇反應(yīng)器第4頁/共49頁3-2n=1，等溫，證明，等溫，證明xA=99.9%時所需反應(yīng)時間是時所需反應(yīng)時間是xA=50%時所需反應(yīng)時間的時所需反應(yīng)時間的10倍倍1ln1Aktx0exp()aEkkRT等溫時，k 一定221111lnln119 9 .9 %1 011lnln115 0 %AAtxtx第5頁/共49頁3-3n

4、=1/2，10 min后后xA=0.75, 30 min后轉(zhuǎn)化率后轉(zhuǎn)化率xA=?112202 1(1)AACktx2211212301 (1)101 (1 0.75)Atxt xA2無解假設(shè)xA=1時，時間為t33311112211221 (1)1 (1 1)1 (1)1 (1 0.75)AAtxtx320 m int 30 min后反應(yīng)物A完全轉(zhuǎn)化，完全轉(zhuǎn)化，xA=100%1101(1)11AnnACktxn第6頁/共49頁3-4間歇反應(yīng)器，間歇反應(yīng)器，cA0=1mol/L，t=8min后，后，xA=0.8；t=18min后，后，xA=0.9，求該反應(yīng)的動力學(xué)關(guān)系？，求該反應(yīng)的動力學(xué)關(guān)系？1

5、101(1)11AnnAcktxn221111(1)1(1)1AAnntxtx1)8 . 01 (1)9 . 01 (81811nn01AAAxc ktx0.5/(min)kLmoln=2第7頁/共49頁在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行二級反應(yīng) ，反應(yīng)速率為當(dāng) 分別為1，5，10 mol/L時，求反應(yīng)到 =0.01 mol/L時，所需反應(yīng)時間。并對計算結(jié)果進(jìn)行討論。 3-8AP2(-r )=0.01c/AAmol s0AcAc011AAktcc對于二級反應(yīng)，若1/CA1/CA0 ，反應(yīng)時間t與反應(yīng)物初始濃度無關(guān)。19900ts59980ts109990ts1Aktc第8頁/共49頁生物化工中胰蛋白原轉(zhuǎn)化成胰

6、蛋白酶時，在間歇反應(yīng)實驗中測得不同溫度下反應(yīng)速率于某時刻達(dá)到最大值 3-10AASdckc cdtMAXt0000000()C()()ATATAPATACCCktCCktInCCC30000.65+0.05()= 0.35kmol/m222TAPAoptCCCC1120.65(0.70.35)293: 0.72.4=In,0.35(0.70.65)KkkKk同理求211211()65.94/kEInEkJ molkR TT第9頁/共49頁在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行液相反應(yīng) ，測得二級反應(yīng)速率常數(shù)： ，計算當(dāng) 1和5時，轉(zhuǎn)化率分別為，時所需的反應(yīng)時間，并對計算結(jié)果進(jìn)行討論。3-12ABP2061.5

7、 10/ () ,0.307/ALmol hcmol L00/BAcc220000000000220000.50.90.99020(1)()(1)()(1)()()11(1)(1)5.31 ,47.7524.41(1AAAABBAA BAABAAAAAAAAAAxAAAAAAxxxAAAccrkc ckcxcc xkcxxkcxxccxdxtckcxkcxth th thdxtckc 令當(dāng)時，當(dāng)時000.50.90.99()1)()(1)(1)50.78 ,2.78 ,5.81AAAAxAAAAAxxxxlnxxkcxth th th 當(dāng)時當(dāng)C B0 /C A0 = 越大，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需的

8、時間越短； 當(dāng)C B0 /C A0 不變時，隨x A 的增大，所需t 增大，且 x A 越高，t 增加越快 第10頁/共49頁在3-12題中，若 時，用擬一級反應(yīng)方程式處理，其計算結(jié)果與按二級反應(yīng)處理相比較。當(dāng)cB0/cA0=5時，二級反應(yīng)可做擬一級反應(yīng)處理 。3-1300/5BAcc11BAkkck tlnx 0.50.90.990.73 ,2.44 ,4.88AAAxxxththth第11頁/共49頁可逆一級液相反應(yīng) ，已知 。當(dāng)此反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行時，經(jīng)過8 min A的轉(zhuǎn)化率是33%，而此時平衡轉(zhuǎn)化率為66.7 %。此反應(yīng)的動力學(xué)方程 。 3-20AP 000.5/,0APcmol

9、 L c120.6672.00311 0.667AeAexkKkxAAeAeAeAAeAxxxCCCCtkklnln)(021*例3-8（p27）化學(xué)反應(yīng)工程原理例題與習(xí)題0()0.05770.0288()AAAArccc第12頁/共49頁可逆反應(yīng) ，已知 。已知210oC時， 求在該溫度下所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)化率為多少？若要使 ，則需采取何種措施？3-21AP ()130959/HJ mol120.2,0.5kk 。0.9Ax 120.20.28610.5AeAeAexkKxkx121211ln()KHKRTT 若要使xA，可以降溫或者移除產(chǎn)物。2441TK第13頁/共49頁有一簡單反應(yīng)，原料A

10、，產(chǎn)物P，實驗測得下列數(shù)據(jù)，已知試求平衡轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率常數(shù)3-22001.89/,0APcmol Lc。時間01803004201440A轉(zhuǎn)化量00.200.330.431.051.580012121.580.8361.891()lnAAeAeAAeAeAeAeAccxcxkKkxxkk txx代入數(shù)據(jù)，求平均值411412=6.37 10=1.25 10ksks第14頁/共49頁在等溫間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行下列液相反應(yīng)：A和B的初濃度均為2kmol/m3,P為目的產(chǎn)物，試計算反應(yīng)為2h的A的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物P的收率。3-23*323P2/()20.5/()pARAABrc kmolm hARrc

11、kmolm h 122()2()2ApAARArrcrrc22AAAdcccdt 0.0184Ac00(2+)0.5(2+)AAAAcctlncc0002 0.01840.9908221 0.51 0.51/21 2/222/20.6841/21 0.0184/2PAAAccPAAAAPcPAAPPPAxdcdcdcccdcdtdccccInclncc ，又第15頁/共49頁有一平行反應(yīng)串聯(lián)液相反應(yīng)：在間歇反應(yīng)器中，開始時溶液中含有A的濃度及過量的B，得到如下數(shù)據(jù)：試問: 的比值為多少？間歇反應(yīng)器中P的最大濃度為多少？并求此時A的轉(zhuǎn)化率3-26*111222ABBpABPrk c cBPRrk

12、 c c 300.1/Ackmol m時間時間TcAcPt10.0550.038t20.010.04221/kk112111122101021();()ABpk tAAk tk tpArk ckk crk cttcc ekcceekk其中同理時，210.52kk第16頁/共49頁 22112111 1/0.521230121()()0.4920.520.0492/;1 ()0.744kkkMAXp MAXAMAXkkkAkkcckmol mkxk 第17頁/共49頁丙烷熱裂化為乙烯的反應(yīng) ，反應(yīng)在772oC等溫條件下進(jìn)行，其反應(yīng)動力學(xué)方程式為式中k-1，若采用理想管式反應(yīng)器，p=0.1MPa,

13、進(jìn)料流量 ，當(dāng)轉(zhuǎn)化率 時，求所需反應(yīng)器的體積4-438244C HC HCH ()AArkc0800 /L hAx300032 11;111.51/;1(1) (1),=1.773ARAAAARPPcRTcmol mRTVlnxxFkcVm又PV=nRT根據(jù)第4章 理想管式反應(yīng)器第18頁/共49頁四氟乙烯是制造聚四氟乙烯所用的擔(dān)體，可將一氯二氟甲烷進(jìn)行熱分解得到若在0.10133 MPa，700 oC等溫條件下，用直徑為100 mm的管式反應(yīng)器進(jìn)行分解純的一氯二氟甲烷，其流量為0.4 kmol/min ，試計算分解率為時所需的管長。已知反應(yīng)為一級，700 oC時的反應(yīng)速率常數(shù)k-1 4-522

14、 422CHClFCFHCl 30030021220.5;212.525/;0.4/ min6.67/ ;1(1)(1)=1.1058;140.8(/ 2)AARAARAARPPcRTcmol mRTFkmolmol sVInxxVmFkcVLmd又PV=nRT根據(jù)第19頁/共49頁在一活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列反應(yīng)：反應(yīng)均為一級，已知 。A的最大進(jìn)料量為3 ,且不含P與S。試計算P的最大收率和總選擇性以及達(dá)到最大收率時所需反應(yīng)器的體積4-1512kkAPS 11120.30min ,0.10minkk3/mh221210.110.1 0.321/11.2.3321021300.3()()0.57

15、7;0.1(1)0.8075;0.7145;(/)3/0.05/ min5.49min;0.2745kkkMAXkkA optMAXA optoptRoptkkkxkxln kkmhmkkVm又tt第20頁/共49頁4-23*常壓法生產(chǎn)稀硝酸時，離開快速冷卻器的氣體組成是：NO為9%， NO2為1%， O2為8%，其余均為N2等惰性氣體（摩爾分率）。此氣體浸入氧化塔。在，20的等溫條件下進(jìn)行氧化反應(yīng)：反應(yīng)終點要求NO2 : NO=5，已知入塔氣體流量為10000m3/h，氧化塔中反應(yīng)體積可用下式計算：式中：VR反應(yīng)器體積，m3； G氣體質(zhì)量流量，kg/s； y單位質(zhì)量氣體的NO2摩爾量 ； k

16、反應(yīng)速率常數(shù)1.4104 m3/(kmol s)(20)。試求反應(yīng)器體積是多少？2222NOONO2122yRyNOOdyVGkcc第21頁/共49頁考慮1kmol氣體進(jìn)入反應(yīng)器，并設(shè)在反應(yīng)器某一位置生成的NO2為x kmol，得：組分組分進(jìn)口處進(jìn)口處 kmolkmol某一位置某一位置 kmolkmolNO0.090.09-xNO20.010.01+xO20.080.08-0.5xN20.820.82total1.001.00-0.5x該位置處體積流量3(1.000.5 ) 0.082()nRTxTvmPP30(0.09)(/)(1.000.5 ) 0.082NOAnxPckmol mvxT2

17、3(0.080.5 )(/)(1.000.5 ) 0.082OxPckmol mxT第22頁/共49頁在出口處要求NO2 : NO=5，則：0.010.09ffxx 10yyx 20.0733fyyxx 0.0733fx 2123330.07332320(1.000.5 )0.082(0.09)(0.080.5 )yRyNOOdyGxTVGdxkccMkPxx100000.1156(/ )3600 (27320) 0.082MGMkg s30.073320(1.000.5 )11.47(0.09)(0.080.5 )RxVdxxx圖解積分，或數(shù)值積分3110RVm第23頁/共49頁2)(AAk

18、cr5-2液相反應(yīng)，反應(yīng)速率： ， CSTR中，1010202001122122(1)6(1)AAAAAARRRVxvkcxVVxvkcxxA=0.5，若CSTR體積擴(kuò)大6倍，其他條件不變，此時xA=?75. 02Ax第5章 連續(xù)流動釜式反應(yīng)器002200()(1)AAAAAAAAAccccxVvrkckcx第24頁/共49頁5-3一級反應(yīng)，150等溫PFR中xA=0.6；若用同樣大小CSTR，處理量不變，要使xA=0.7，問此時CSTR該在什么溫度下操作？（Ea=83.7 kJ/mol)1102012221:ln1:1RARAAVPFR kkvxVxCSTR kkvx2221111ln1AA

19、Axkxkx)11(ln2112TTREkkaKT4402反應(yīng)器體積不變，處理量不變，則 不變第25頁/共49頁5-5一級反應(yīng)，Ea=83.7 kJ/mol，反應(yīng)溫度150，PFR中進(jìn)行時，其體積為Vp，改用CSTR，其體積為VM，說明Vp/VM表達(dá)式。若xA為0.6和0.9，為使VM與Vp相同，則CSTR應(yīng)在什么溫度下進(jìn)行？2112121222111ln(1)ln11(1)APAAAMAAxVkxkxxVkxkx1221102201:ln1:1AAAPMVPFR kkvxVxCSTR kkvxVp=VM212111ln()akEkRTT)11(11ln)1 (ln21122TTRExxxaA

20、AAT2=468K第26頁/共49頁5-8某液相反應(yīng)實驗測得濃度反應(yīng)速率數(shù)據(jù)如下：00()AAfRAccVvrcA(mol/L)0.10.20.40.60.81.01.21.41.6(-rA)mol/(Lmin)0.625122.51.51.250.80.70.65CSTR，cA0=2 mol/L，當(dāng)出口濃度cAf為0.6 mol/L,0.8 mol/L,1 mol/L時，0=120 L/min，求所需VR？并討論計算結(jié)果010(1)67.2()AAfRAccVvLr020(2)96()AAfRAccVvLr030(3)96()AAfRAccVvLr類似于自催化反應(yīng)類似于自催化反應(yīng)第27頁/共

21、49頁5-9一級反應(yīng)，VR=300 L，cA0=3.2 kmol/m3，k=0.08 s-1 ， xA=98.9%，求反應(yīng)物A的處理量。（1）間歇操作，輔助時間15min；（2) 反應(yīng)器為CSTR，將結(jié)果與（1）比較；（3）A的濃度增加一倍，其他條件不變，結(jié)果如何？111ln1Atkx0018.82/minRVvLtt0(1)RAAVxkx0(1)16.02/minRAAV kxvLx由于返混的影響，若要獲得相同的由于返混的影響，若要獲得相同的 轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率，CSTRCSTR的平均停留時間較大，的平均停留時間較大，生產(chǎn)能力較小。生產(chǎn)能力較小。由（1）、（2）可見，v0與反應(yīng)物的初始濃度無關(guān)，

22、所以A的濃度增加一倍，結(jié)果不變（1）（2）（3）第28頁/共49頁2)(AAkcr5-12體積為VR的反應(yīng)器中進(jìn)行液相等溫反應(yīng)，反應(yīng)速率:1102:(1)AfAfAxCSTR ckx（1）CSTR，xAf=0.5，改為同體積PFR，此時xAf=?（2） CSTR，xAf=0.5，若反應(yīng)器增大10倍，此時xAf=?（3）若反應(yīng)為零級，求（1)、（2）的計算結(jié)果。（4）若反應(yīng)為一級，求（1)、（2）的計算結(jié)果。667. 02Afx220:1AfAfAxPFR c kx（1）k、不變2202010:(1)AfAfRAVxCSTR ckx8 . 02Afx（2）第29頁/共49頁10:AfAcxCST

23、Rk5 . 02Afx20:AfAcxPFRk（3）20010:AfRAVCSTR kcx52Afx（4）n=0由于1Afx12Afxn=120.632Afx211ln:AfxkPFR22010:1AfAfRVxCSTR kx20.909Afx111:AfAfxxkCSTRk、不變k、不變第30頁/共49頁5-16*循環(huán)流動反應(yīng)器，自催化反應(yīng)，cA0=1 mol/L，k=1 L/(mols)，進(jìn)料流率v=1 L/s，循環(huán)比分別為3，0， ，求xA=0.98的反應(yīng)器體積。)1 ()()(2000AAAAAAxxkccckcrA)1 ()1 (1ln) 1()1 () 1()() 1(2020)1

24、()1(0AfAfAAfAfAAAAAfAfAAxRxRkcRxxxxkcdxRxxrdxRFVRRRRA1.064ln11.40.06VL當(dāng)R=3時APPP第31頁/共49頁R=0，即平推流反應(yīng)器情況98. 00000)1 ()1 (2020AAAAAAxxdxkcFxxxkcdxFVAAAfAA由于進(jìn)料中沒有產(chǎn)物，該反應(yīng)無法啟動，所以V= 。當(dāng)R= 時，即連續(xù)流動釜式反應(yīng)器的情況LxxkcxFVAfAfAAfA5002. 098. 098. 01)1 (200*例5-4（p118） 化學(xué)反應(yīng)工程原理第32頁/共49頁5-20證明：兩釜串聯(lián)中進(jìn)行一級反應(yīng)，一定轉(zhuǎn)化率下，兩釜體積相同，則其總體

25、積為最小。00112112210100201(1)1(1)AAAAAAAAVcckVckcVcckVck c ) 1() 1(2110021AAAAcccckVVV轉(zhuǎn)化率一定，則cA0/cA2為定值cccAA20設(shè)第33頁/共49頁) 1() 1() 1(20100001AAAAcckckcckV) 1() 1() 1(2000210002AAAAAAcckcccckcckV將上式對cA1求導(dǎo)，可得01100122AAAAccV VVck cccccAA01cccAA20將 代入上式，可得：)021010AAAAcccckdcdV當(dāng)且僅當(dāng) ，反應(yīng)器體積最小21VV 此時10AdVdc第34頁/

26、共49頁第6章 反應(yīng)過程中的混合現(xiàn)象及其對反應(yīng)的影響31 201 211/,(),2(/)minAAAcmol Lrkckmol L6-6固相反應(yīng) ，測得停留時間分布如圖6-4：已知： ， 求xA?AP21 211200000()101( )10.50.16710.833AAAArkccttccf t dttdtcccxc 02t (min)0.5( )( /min)f tL第35頁/共49頁10.02mink6-7CSTR，液固相反應(yīng)，產(chǎn)物為固相，反應(yīng)為一級，已知 ，固體顆粒平均停留時間為100/min，求：（1）平均轉(zhuǎn)化率；（2）若轉(zhuǎn)化率低于30%為不合格，試估計不合格產(chǎn)品所占百分率；（3

27、）若改用2個等體積CSTR串聯(lián)（總體積不變），估算不合格產(chǎn)品百分率。01:0.3331cCSTRck（1） 17.8310011()ln10.3,17.83min110.163AAAAttrkctkxxtF tee （2）010.667Acxc 117.8350110050min217.8311115.03%50ttttF teet （3）第36頁/共49頁31(1)Atx6-8今有硫鐵礦焙燒反應(yīng)，已知該反應(yīng)為動力學(xué)控制，t為反應(yīng)時間， 全部反應(yīng)所需時間 。設(shè)反應(yīng)過程中氣相組成不變，離子停留時間分布如圖6-5，求平均轉(zhuǎn)化率xA?1h01.0 t (h)1.0( )(1/ )f th333011

28、3000001(1)(1)(1)( )(1)0.2510.75AAAAAActtxtcccf t dttdtcccxc 第37頁/共49頁第7章 化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化()AAPrkc c7-3自催化反應(yīng) ，其反應(yīng)速率方程為 ，進(jìn)料A的初濃度 ，要求達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率為。為使反應(yīng)器體積最小，擬用一個CSTR和一個PFR組合。進(jìn)料流量 ，速率常數(shù) ，問應(yīng)如何組合兩個反應(yīng)器？中間轉(zhuǎn)化率？反應(yīng)器總體積？APPP33000.99/,0.01/APcmol m cmol m310/vmh434.2 10/()kmmol s自催化反應(yīng)：CSTR+PFR00.5/ min()2TAAccmolr時，有最大00310

29、000012.96()(1)()AAfAAfARAAPAPAAccccxVvvvmrkc ckxcc x0.495Ax CSTR:PFR：maxmax0030000max200max1ln30.46()(1)1AAAAccAAAARccATAAAAAvvvccdcdcVmkccckcckcc31243.42RRRVVVm0maxmaxfAAAAcccc由到和由到是對稱的第38頁/共49頁7-6已知分解反應(yīng)為： 25 ：求：（1）該溫度下，為使產(chǎn)物P收率最大，應(yīng)選用什么反應(yīng)器？ （2）所選反應(yīng)器中，cP,max？200001.531.5=2mol/L0PSATAAPSTrrcrccccc，若，P

30、STA12322002max0max1.51=1.531.51105=2/PAAAAAAPfAAAPfPAAfAPfAAfPrrcccccccccdccdcccccccmol L當(dāng)時，可得，解得，故舍去又是一個單調(diào)遞減函數(shù)，根據(jù)曲線關(guān)系，當(dāng)0時，有平行反應(yīng)，主反應(yīng)級數(shù)低，CSTR（1）（2）第39頁/共49頁()AABrkc c7-7有一液相反應(yīng) ，其反應(yīng)速率方程為現(xiàn)有CSTR和PFR各一個，體積均為0.7 m3，試問以下三個方案中，哪個最好？為什么？（1）CSTR后串聯(lián)PFR；（2）PFR后串聯(lián)CSTR；（3）CSTR和PFR并聯(lián)。ABPS3020 /(min)2/,20 / minAkLm

31、olcmol m vL已知：，等摩爾反應(yīng)，（1）（2）2()AArkc等摩爾反應(yīng)：1200.7=35min0.020RVv01121=AAAcckc先CSTR：311.12/Acmol m再PFR：11211AfAAccc k30.628/Afcmol m先PFR：310.833/Acmol m再CSTR：30.590/Afcmol m0.686Ax 10111AAAoccc k12222=AAAcckc0.705Ax 第40頁/共49頁（3）CSTR與PFR并聯(lián)1.120.8330.9762Afc0.512Ax 第二個方案較好。第41頁/共49頁7-9一級不可逆反應(yīng)： 。已知： ，反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)

32、料體積流量為0.142 m3/min，進(jìn)料組成為， 對于產(chǎn)物P 的最大收率，下列反應(yīng)器中哪個比較優(yōu)？請說明原因。（1）單個CSTR，體積為 ；（2）兩個CSTR串聯(lián)，每個體積為0.142 m3；（3）兩個CSTR并聯(lián)，每個體積為0.142 m3；（4）單個PFR，體積為0.284 m3。12kkAPS 11120.15min ,0.05minkk000,0AAPScccc30.284RVm（1）（2）00.2842min0.142RVv1200101 10.1421min0.1420.8701RAAAVvccck0 1 1101 12 10.124(1)(1)APAc kcckk對第二個CSTR中物料P做物料衡算：010212222PPApRv cv ck ck cV 0 10120.21(1)(1)APAc kcckk112220220.2261PAPAck ccck第42頁/共49頁兩個CSTR并聯(lián)，同（1）（4）（3）00.21PAcc00.2842min0.142RVv1210021()0.246kkPAAkcceeckk單個