反應(yīng)工程課后習(xí)題參考答案供參習(xí)

1、頁眉內(nèi)容 頁腳內(nèi)容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%。試計算（1）反應(yīng)的選擇性；（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，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)mo（mol）CHOH2/（ 2+4+1.3） =0.274027.40空氣4/（ 2+4+1.3） =0.547954.79水1.3/

2、（ 2+4+1.3） =0.178117.81總計1.000100.0設(shè)甲醛的生成量為x，CO的生成量為y,則反應(yīng)器出口處組成為:組分摩爾數(shù)n（mol）CHOH27.40-x-y空氣54.79-x/2-3y/2水17.81+x+2yHCHCxCOy總計100+x/2+y/2由甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%甲醛的收率為69.2%得:x亠yx=72%;=69.2%227.4解得 x=18.96; y=0.77所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：27 4 x yCHOH:100% =6.983%100 + x + y2 254.79-x -翌空氣：22 100%=40.19%100+32 2組分原料氣冷凝分離后的氣體

3、CO26.8215.4968.2569.78CQ1.460.82CH0.553.62NN2.9210.29水：17.81 x 2y 100% =34.87%100丫2 2HCHO:-100 x y2 2100%=17.26%COy100 x y2 2100% =0.6983%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)壓縮機后與 原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流

4、程示意圖粗甲醇的組成為 CHOH 89.15%,（CH）2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,HO 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1kg粗甲醇而言，其溶解量為 CO9.82g,CO 9.38g,H 21.76g,CH4 2.14g,N 25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2 （摩爾比），試計算:（1）一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（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yio (mol

5、%)Fo (kmol/h)質(zhì)量分率Xi0%CO2826.8226.8272.0514268.2568.2513.1CO441.461.466.164CH160.550.550.8443NN282.922.927.844總計100100100其中Xi=yiM/刀yiM。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量yiM=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yiCO2815.49H，269.78CO440.82CH163.62N2810.29總計100其中冷凝分離后氣體平均分子量為M m=yiMi=9.554又設(shè)放空氣體流量為Akmol/h，粗甲醇的流量為Bkg

6、/h。對整個系統(tǒng)的N作衡算得：5.38B/28 X 1000+0.1029A=2.92(A)對整個系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100X 10.42=B+9.554A(B)聯(lián)立(A)、( B)兩個方程，解之得A=26.91kmol/hB=785.2kg/h反應(yīng)后產(chǎn)物中CO 摩爾流量為Fco=0.1549A+9.38B/(28 X 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F co,q=100X 0.2682+7.2 X 100X 0.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為產(chǎn)物粗甲

7、醇所溶解的CO、CO “、CH和NI總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X 甲/Mm=(785.2-0.02848B)X 0.8915/32=21.25 kmol/h所以，甲醇的全程收率為總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為單=21.25/138.4=15.36%2反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)2.3已知在Fe-Mg催化劑上水煤氣變換反應(yīng)的正反應(yīng)動力學(xué)方程為：式中yco和 y為一氧化碳及二氧化碳的瞬間摩爾分率，0.1MPa壓力及700K時反 應(yīng)速率常數(shù)kW等于0.0535kmol/kg.h。如催化劑的比表面積為30nVg，堆密度為 1.13g/cm3，試計算：（1）以反應(yīng)體積為基準(zhǔn)的速率常

8、數(shù) 匕。（2） 以反應(yīng)相界面積為基準(zhǔn)的速率常數(shù)kg。（3） 以分壓表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)kg。（4） 以摩爾濃度表示反應(yīng)物系組成時的速率常數(shù)kc。解：利用（2.10）式及（2.27 ）式可求得問題的解。注意題中所給比表面的單位 換算成m/m3。2.6下面是兩個反應(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）是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？（2）是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？（3）在等溫線上，A,D,O,E,M點中哪一點速率最大，哪一點速率最小？（4） 在等轉(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,F及B點中，哪一點速率最大，哪一點 速率最??？（5）

9、C,R兩點中，誰的速率大？（6）根據(jù)圖中所給的十點中，判斷哪一點速率最大？解：圖2.1（1）可逆反應(yīng)，因為存在平衡線（2）放熱反應(yīng)，因為隨反應(yīng)溫度升高，平衡轉(zhuǎn)化率下降（3）M 點速率最大，A點速率最小，溫度一定時，隨著轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)速率 增大（4）0 點速率最大，B點速率最小，轉(zhuǎn)化率一定時，距離最佳溫度線最近的點 反應(yīng)速率最大，B點在平衡線上，反應(yīng)速率為零。R 點速率大于C點速率，R點比C點離平衡線近（6）M 點速率最大。等轉(zhuǎn)化率線上，O點速率最大；等溫線上，M點速率最大。 而M點速率大于O點速率，所以十點中M點速率最大。圖2.2（1）可逆反應(yīng)。因為存在平衡線吸熱反應(yīng)，因為隨反應(yīng)溫度升高，平

10、衡轉(zhuǎn)化率增加M 點速率最大，A點速率最小。溫度一定時，隨著轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)速率 增大H 點速率最大，B點速率最小，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)速率隨溫 度升高而增大C 點速率大于R點速率，吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率一定時，反應(yīng)速率隨溫度升高 而增大，C點溫度高于R點無法直接判斷，需要根據(jù)等速線的走向來判斷H,M點的速率大小。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：A ；= A二A = B二 RB；：= B 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

11、率方程來代表整個反應(yīng)的速率方程：由于A，B V -1將二A廣B代入上式得：整理得：將二ABV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 2(A) (B2) 2(R)其反應(yīng)步驟可表示如下：A % 二 AB22 二 2BA B = R 二：二 R -若是第三步是速率控制步驟，試推導(dǎo)其動力學(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：整個反應(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：將二ABR，%代入反應(yīng)速率方程，得: 其中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)

12、對乙酸乙酯及氫氧化鈉均為一級。 反應(yīng)開始時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5.61/mol.min 。要求最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到95% 試問：（1）當(dāng)反應(yīng)器的反應(yīng)體積為im時，需要多長的反應(yīng)時間？（2）若反應(yīng)器的反應(yīng)體積為2m，,所需的反應(yīng)時間又是多少？解: （ 1）（2）因為間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時間與反應(yīng)器的大小無關(guān)，所以反應(yīng)時間仍為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 kg/h，使用15%（重量）的NaHCO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

13、。該反應(yīng)對氯乙醇和碳酸氫鈉均為一級，在反應(yīng)溫度下反 應(yīng)速率常數(shù)等于5.21/mol.h ，要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%（1）若輔助時間為0.5h，試計算反應(yīng)器的有效體積；（2）若裝填系數(shù)取0.75，試計算反應(yīng)器的實際體積。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,每小時產(chǎn)乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h03266 80.5-91 11kg/h每小時需氯乙醇：0.95 30%0.3266 84190.2kg/h每小時需碳酸氫鈉：095 15%原料體積流量：91.11 19 0.2Q275.81/h1.02氯乙醇初始濃度：0.3266 1000CA01

14、.231mol/l0.95 275.8反應(yīng)時間:反應(yīng)體積：Vr 二 Qo(t t)二 275.8 (2.968 0.5) = 956.51（2）反應(yīng)器的實際體積:V.V. 956.12751f 0 753.8在一個體積為3001的反應(yīng)器中86C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%，試計算苯酚的產(chǎn)量。（1） 如果這個反應(yīng)器是間歇操作反應(yīng)器，并設(shè)輔助操作時間為15mi n;（2）如果是全混流反應(yīng)器；（3）試比較上二問的計算結(jié)果；（4）若過氧化氫異丙苯濃度增加一倍，其他條件不變，

15、結(jié)果怎樣？解: （ 1）苯酚濃度 C苯酚二 CaXa 二 3.2 0.989 二 3.165mol/l苯酚產(chǎn)量 Q（jC苯酚=18.82 3.165 = 5956mol/min 二 3359kg/h（2）全混流反應(yīng)器苯酚產(chǎn)量 QC苯酚二 16.02 3.2 0.989 二 50.69mol/min 二 285.9kg/h（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)為一級反應(yīng)，由上述計算可知，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，故上述兩 個反應(yīng)器中苯酚的產(chǎn)量均增加一倍。3.1

16、5等溫下進(jìn)行1.5級液相不可逆反應(yīng)：ABC。反應(yīng)速率常數(shù)等于5m|.5/kmol 1.5.h，A的濃度為2kmol/m3的溶液進(jìn)入反應(yīng)裝置的流量為 1.5m3/h，試 分別計算下列情況下A的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%寸所需的反應(yīng)體積：（1）全混流反應(yīng)器;（2） 兩個等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)；（3）保證總反應(yīng)體積最小的前提下， 兩個全混 流反應(yīng)器串聯(lián)。解：（1）全混流反應(yīng)器（2）兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián) 由于Vr1 =Vr2,所以由上二式得：將Xa2=0.95代入上式，化簡后試差解得 Xa1=0.8245，所以:3 串聯(lián)系統(tǒng)總體積為：Vr - 2Vr _ 4.758m（3）此時的情況同（1），即Vr=18

17、3m3.16原料以0.5m7min的流量連續(xù)通入反應(yīng)體積為 20ni的全混流反應(yīng)器，進(jìn)行 液相反應(yīng)：C,Cr為組分A及R的濃度。rA為組分A的轉(zhuǎn)化速率，5為D的生成速率。原料中3i3A的濃度等于 0.1kmol/m，反應(yīng)溫度下,ki=0.1min-，k2=1.25m/kmol.min,試計 算反應(yīng)器出口處A的轉(zhuǎn)化率及R的收率。解：所以：即為：4管式反應(yīng)器4.1在常壓及800r等溫下在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行下列氣相均相反應(yīng)：在反應(yīng)條件下該反應(yīng)的速率方程為：式中Ct及G分別為甲苯及氫的濃度，mol/l，原料處理量為2kmol/h，其中甲苯 與氫的摩爾比等于1。若反應(yīng)器的直徑為50mm試計算甲苯最終轉(zhuǎn)化

18、率為95%寸 的反應(yīng)器長度。解：根據(jù)題意可知甲苯加氫反應(yīng)為恒容過程， 原料甲苯與氫的摩爾比等于1, 即:CT 0 = CH 0，則有：CT = CH = CT 0仆-XT ) 示中下標(biāo)T和H分別代表甲苯與氫，其中： 所以，所需反應(yīng)器體積為：XTVr = Q0CT0 01. 5cTCh_Q0cT0 xt dXT0 1.5C；.5dXT3申95dXT(10 95513=0.278 h 10 f 7TT5 = 0.4329工二 3.006m0 15(5.68 10 ) (1Xj1.5-13.006 21531.1m所以，反應(yīng)器的長度為：0.052 3.14/44.2根據(jù)習(xí)題3.2所規(guī)定的條件和給定數(shù)

19、據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器生產(chǎn)乙二醇，試計算所需的反應(yīng)體積，并與間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行比較。解：題給條件說明該反應(yīng)為液相反應(yīng)，可視為恒容過程，在習(xí)題3.2中已算出：所以，所需反應(yīng)器體積：由計算結(jié)果可知，活塞流反應(yīng)器的反應(yīng)體積小，間歇釜式反應(yīng)器的反應(yīng)體積大, 這是由于間歇式反應(yīng)器有輔助時間造成的。4.8在管式反應(yīng)器中400C等溫下進(jìn)行氣相均相不可逆吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的活化 能等于39.77kJ/mol。現(xiàn)擬在反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的 前提下(采用等溫操作)，增產(chǎn)35%請你擬定一具體措施(定量說明)。設(shè)氣體 在反應(yīng)器內(nèi)呈活塞流。解：題意要求在反應(yīng)器大小，原料組成和出口轉(zhuǎn)化率均保持不變，由下

20、式：可知，反應(yīng)器大小，原料組成及出口轉(zhuǎn)化率均保持不變的前提下，Q與反應(yīng)速率常數(shù)成正比，而k又只與反應(yīng)溫度有關(guān)，所以，提高反應(yīng)溫度可使其增產(chǎn)。具體 值為：解此式可得：T2=702.7K。即把反應(yīng)溫度提高到702.7K下操作，可增產(chǎn)35%4.9根據(jù)習(xí)題3.8所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算苯酚的產(chǎn)量， 并比較不同類型反應(yīng)器的計算結(jié)果。解：用活塞流反應(yīng)器：將已知數(shù)據(jù)代入得：3解得：Q)二319m /min，所以苯酚產(chǎn)量為：由計算可知改用PFR的苯酚產(chǎn)量遠(yuǎn)大于全混流反應(yīng)器的苯酚產(chǎn)量，也大于間歇式 反應(yīng)器的產(chǎn)量。但間歇式反應(yīng)器若不計輔助時間， 其產(chǎn)量與PFR的產(chǎn)量相同(當(dāng) 然要在相同條件下比

21、較)。4.11根據(jù)習(xí)題3.15所給定的條件和數(shù)據(jù)，改用活塞流反應(yīng)器，試計算：(1)所需的反應(yīng)體積；(2)若用兩個活塞流反應(yīng)器串聯(lián)，總反應(yīng)體積是多少？解：(1)用PFR時所需的反應(yīng)體積：(2)若用兩個PFR串聯(lián)，其總反應(yīng)體積與(1)相同。5停留時間分布與反應(yīng)器流動模型5.2用階躍法測定一閉式流動反應(yīng)器的停留時間分布，得到離開反應(yīng)器的示蹤劑 與時間的關(guān)系如下：試求：該反應(yīng)器的停留時間分布函數(shù) F( 9 )及分布密度函數(shù)E( 9 )。_ 2數(shù)學(xué)期望，及方差二，o若用多釜串聯(lián)模型來模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？若用軸相擴散模型來模擬該反應(yīng)器，則模型參數(shù)是多少？ 若在此反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)

22、速率常數(shù)k=1min-1，且無副反 應(yīng)，試求反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率。解：(1)由圖可知 C(*)=1.0，而 F( 9 )=F(t)=C(t)/ C( oc)，所以:一 旳3t = tE(t)dt 二 tdt 二 2.5min =0 2 =所以：(2)由于是閉式系統(tǒng)，故二，所以1方差：2（3）由（5.20 ）式可得模型參數(shù)N為：N = M ： - 1/001333二75（4）略（5） 用多釜串聯(lián)模型來模擬，前已求得N=75,應(yīng)用式（3.50 ）即可計算轉(zhuǎn)化率：t1 x 2 5Xa 二 1 -1心 k）N -1/（1-）70.9145N755.5已知一等溫閉式液相反應(yīng)器的停留時間分布密度函數(shù)E（t）=

23、16texp（-4t）,mi n-1，試求：（1）平均停留時間；（2）空時；（3）空速；（4）停留時間小于1min的物料所占的分率；（5）停留時間大于1min的物料所占的分率；（6） 若用多釜串聯(lián)模型擬合，該反應(yīng)器相當(dāng)于幾個等體積的全混釜串聯(lián)？（7）若用軸向擴散模型擬合，則模型參數(shù) Pe為多少？（8）若反應(yīng)物料為微觀流體，且進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)為6min-1 ,CA=1mol/l,試分別采用軸向擴散模型和多釜串聯(lián)模型計算反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并加以比較；（9）若反應(yīng)物料為宏觀流體，其它條件與上述相同，試估計反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率，并與微觀流體的結(jié)果加以比較？解：（1）由（5.20 ）式得：（2）因是閉式系統(tǒng)，所以：（3）空速為空時的倒數(shù)，所以：11_4141 11 41F （1） = J E （t）dt = f 16te dt