化學(xué)反應(yīng)工課后答案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——化學(xué)反應(yīng)工課后答案第一章習(xí)題

1

化學(xué)反應(yīng)式與化學(xué)計(jì)量方程有何異同?化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)與化學(xué)計(jì)量方程中的計(jì)量系數(shù)有何關(guān)系?

答：化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)恒為正值，化學(xué)計(jì)量方程中反應(yīng)物的計(jì)量系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)式中數(shù)值一致，符號(hào)相反，對(duì)于產(chǎn)物二者一致。

2何謂基元反應(yīng)?基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)的含義是什么?何謂非基元

反應(yīng)?非基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)含義是什么?

答：假使反應(yīng)物嚴(yán)格依照化學(xué)反應(yīng)式一步直接轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)物，該反應(yīng)是基元反應(yīng)?；磻?yīng)符合質(zhì)量作用定律?；磻?yīng)的活化能指1摩爾活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值?；磻?yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是該反應(yīng)的反應(yīng)分子數(shù)。一切不符合質(zhì)量作用定律的反應(yīng)都是非基元反應(yīng)。非基元反應(yīng)的活化能沒(méi)有明確的物理意義，僅決定了反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程度。非基元反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，決定了反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)物濃度的敏感程度。3

若將反應(yīng)速率寫(xiě)成?rA??dcA，有什么條件?dt答：化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不引起物系體積的變化，即恒容。

4為什么均相液相反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程試驗(yàn)測(cè)定采用間歇反應(yīng)器?

答：在間歇反應(yīng)器中可以直接得到反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)程度的關(guān)系，而這種關(guān)系僅是動(dòng)力學(xué)方程的直接積分，與反應(yīng)器大小和投料量無(wú)關(guān)。

5現(xiàn)有如下基元反應(yīng)過(guò)程，請(qǐng)寫(xiě)出各組分生成速率與濃度之間關(guān)系。

(1)A+2B?CA+C?D(2)A+2B?CB+C?DC+D→E

(3)2A+2B?CA+C?D解

2rA??k1cAcB?k2cC?k3cAcC?k4cD2rB??2k1cAcB?2k2cC(1)

rC?kcc?k2cC?k3cAcC?k4cDrD?k3cAcC?k4cD2rA??k1cAcB?k2cC21AB

(2)

2rB??2k1cAcB?2k2cC?k3cBcC?k4cDrC?kcc?k2cC?k3cBcC?k4cD?k5cCcD?k6cErD?k3cBcC?k4cD?k5cCcD?k6cE21AB

22rA??2k1cAcB?2k2cC?k3cAcC?k4cD(3)

22rB??2k1cAcB?2k2cCrC?kcc?k2cC?k3cAcC?k4cDrD?k3cAcC?k4cD221AB

6解

氣相基元反應(yīng)A+2B→2P在30℃和常壓下的反應(yīng)速率常數(shù)kc=2.65×104m6kmol-2s-1。現(xiàn)以氣相分壓來(lái)表示速率方程，即(?rA)=kPpApB2，求kP=?（假定氣體為理想氣體）

T?273?30?303Kkc?2.65?104m6kmol?2s?1c?pRT22cABp?p??rA?kcc?kcA?B?RT?RT?2?rA?kppApB

kc2.65?104m6kmol?2s?1kP??(RT)38.314kJ?kmol?1K?1?303K??3?1.655?10?6kmol?m?3s-1kPa-3

7解kt?1x?AcA01?xA有一反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)8min后，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉80％，經(jīng)過(guò)18min后，轉(zhuǎn)化掉90％，求表達(dá)此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。

10.81(kcA0)8min???81?0.8210.91(kcA0)18min???181?0.92假設(shè)正確，動(dòng)力學(xué)方程為dc2?A?kcAdt8

反應(yīng)A(g)+B(l)→C(l)氣相反應(yīng)物A被B的水溶液吸收，吸收后A與B生成C。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：?rA=kcAcB。由于反應(yīng)物B在水中的濃度遠(yuǎn)大于A，在反應(yīng)過(guò)程中可視為不變，而反應(yīng)物A溶解于水的速率極快，以至于A在水中的濃度恒為其飽和溶解度。試求此反應(yīng)器中液相體積為5m3時(shí)C的生成量。已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA飽和=0.02kmol·m-3，水溶液流量為10m3hr-1。

解

?rA?kcAcB由已知條件，cA與cB均為常數(shù)?rA?1?0.02?3?0.06kmol?m?3hr?15m3反應(yīng)時(shí)間即液相在反應(yīng)器中的停留時(shí)間???0.5hr10m3hr?1C的生成量NC?0.06kmol?m?3hr?1?0.5hr?5m3?0.15kmol9

反應(yīng)2H2?2NO?N2?2H2O，在恒容下用等摩爾H2，NO進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得以下數(shù)據(jù)

總壓/MPa半衰期/s

求此反應(yīng)的級(jí)數(shù)。

0.0272265

0.0326186

0.0381135

0.0435104

0.054367

解

?dpAn?kppAdtpAt12pA00?p?ndpA?kpdt??p?ndpA??dtpA?n?1pA?kpt?n?1pA01?n1?np1?kptA0?pAn?1??t?t12pA?0.5pA01?0.51?n1?npA0?t12kp?n?1?pA0t12lnpA0lnt122655.5801861?n1?n1?np1pA0?kpt12A0?0.5n?11?0.51?nln??1?n?lnpA0?lnt12kp?n?1???

pA0?1p總20.13600.16300.19050.21750.27151354.9051044.644674.205?1.995?1.814?1.658?1.526?1.3045.226lnt12對(duì)lnpA0作圖，得直線

5.0lnt1/4.24.0-2.1-2.0-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2lnpA0Y=A+B*XParameter

AB

Value1.60217-1.9946

Error0.013990.00834

斜率?1.9946?1.9946?1?nn?3三級(jí)反應(yīng)

10考慮反應(yīng)A?3P，其動(dòng)力學(xué)方程為?rA??示的動(dòng)力學(xué)方程。解

1dnAn??kA試推導(dǎo)在恒容下以總壓表VdtVt?0t?tpA??3pA0?p總?V1?3pA0?p總?nA?22RTVdnA??dp總2RT?V??3pA0?p總?Vdp總???12RT??k2RT??VdtVdp總??3pA0?p總?dt

11A和B在水溶液中進(jìn)行反應(yīng)，在25℃下測(cè)得以下數(shù)據(jù)，試確定該反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)

速度常數(shù)。

時(shí)間/scA/kmol·m-3cB/kmol·m-3

116.899.0

56.6

319.890.648.2

490.283.040.6

913.870.628.2

118865.322.9

∞42.40

AnA0pA0nApAP003?nA0?nA?3?pA0?pA?p總pA03pA0?2pA解

由cA-cB=42.4可知反應(yīng)應(yīng)按以下方式A+B→產(chǎn)物進(jìn)行設(shè)為二級(jí)反應(yīng)

?dcA1cc?kcAcB積分得：kt?lnAB0dtcA0?cB0cA0cB以

1clnA對(duì)t作圖若為直線，則假設(shè)正確。

cA0?cB0cBt

116.8

319.8

490.2

913.8

1188

由cA0-cB0=42.4整理得數(shù)據(jù)如下：

1cy?lnA

cA0?cB0cB線性回歸：

0.01320.01490.01690.02160.0247

0.0260.0240.0220.020y0.0180.0160.0140.012023040060080010001200tY=A+B*XParameter

ValueErrorA0.011661.84643E-4B

1.08978E-5

2.55927E-7

y?1.0898?10?5t?0.01166

k?1.0898?10?5m3kmol?1s?1?dcAdt?1.0898?10?5cAcB

12丁烷在700℃，總壓為0.3MPa的條件下熱分解反應(yīng)：

C4H10→2C2H4+H2(A)(R)(S)

起始時(shí)丁烷為116kg，當(dāng)轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)?dpAdt?0.24MPa?s?1，dpRdnSddt，dt，?yAdt。解

dpRdt?2????dpA?dt???2?0.24?0.48MPa?s?1dpSdt??dpAdtnpVVS?SRTdnS?RTdpSn116A0?58?2kmolxA?0.5時(shí)nA?1kmol，nR?2kmol，nS?1kmol，nt?4kmolV?ntRT4?RTp?總300dnS?VdpS?4dpS?4?2.4?0.032kmol?s?1dtRTdt300dt300求此時(shí)

?dyA1dpA1????0.24?0.8s?1dtp總dt0.3

13某二級(jí)液相不可逆反應(yīng)在初始濃度為5kmol·m-3時(shí)，反應(yīng)到某一濃度需要285s，初始濃度為1kmol·m-3時(shí)，反應(yīng)到同一濃度需要283s，那么，從初始濃度為5kmol·m-3反應(yīng)到1kmol·m-3需要多長(zhǎng)時(shí)間？解

t=285-283=2s

反應(yīng)前后體積不變的不可逆反應(yīng)，已經(jīng)反應(yīng)掉的部分不會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生任何影響。反應(yīng)過(guò)程中的任意時(shí)刻都可以作為初始時(shí)刻和終了時(shí)刻。

14在間歇攪拌槽式反應(yīng)器中，用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為：

2SO4CH3COOH?C4H9OH?H???CH3COOC4H9?H2O

?A??R??B??S?反應(yīng)物配比為：A(mol):B(mol)=1:4.97，反應(yīng)在100℃下進(jìn)行。A轉(zhuǎn)化率達(dá)50％需要時(shí)間為24.6min，輔助生產(chǎn)時(shí)間為30min，每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯（忽略分開(kāi)損失），計(jì)算反應(yīng)器體積。混合物密度為750kg·m-3，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75。解

A?B?R?SMi6074116100?0.862kmol?hr?11160.862轉(zhuǎn)化率50%，則A的投料量?1.724kmol?hr?10.5折算成質(zhì)量流量1.724?60?103.4kg?hr?1R產(chǎn)量2400/24?100kg?hr?1A:B?1:4.97則B投料量1.724?4.97?74?634.1kg?hr?1總投料量103.4?634.1?737.5kg?hr?1737.53換算成體積流量?0.9834mhr?175054.6總生產(chǎn)時(shí)間24.6?30?54.6min折合?0.91hr603反應(yīng)器有效體積0.9834?0.91?0.8949m反應(yīng)器總體積

15反應(yīng)(CH3CO)2O+H2O→2CH3COOH在間歇反應(yīng)器中15℃下進(jìn)行。已知一次參與反應(yīng)物

料50kg，其中(CH3CO)2O的濃度為216mol·m-3，物料密度為1050kg·m-3。反應(yīng)為擬一級(jí)反應(yīng)，速率常數(shù)為k=5.708×107exp(?E/RT)min-1，E=49.82kJ·mol-1。求xA=0.8時(shí)，在等溫操作下的反應(yīng)時(shí)間。解

0.8949?1.2m30.75

?49820k?5.708?107exp()?0.05252min?18.314?288

1111t?ln?ln?30.6mink1?xA0.052521?0.8

16在100℃下，純A在恒容間歇反應(yīng)器中發(fā)生以下氣相反應(yīng):

2A→R+S

A組分分壓與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)下表:

t/secpA/MPa0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.10.0960.0800.0560.0320.0180.0080.0040.002試求在100℃，0.1MPa下，進(jìn)口物流中包含20%惰性物，A組份流量為100mol·hr-1，達(dá)到95%轉(zhuǎn)化率所需的平推流反應(yīng)器的體積。解

平推流反應(yīng)器的停留時(shí)間與間歇反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間一致。?所需要的反應(yīng)時(shí)間為由數(shù)據(jù)表可知，pA0?0.08MPa，轉(zhuǎn)化率95%?pA?0.004MPaτ?140?40?100s100?8.314?373.1533600V?vτ??100?0.1077m60.1?10??1?0.2?17間歇操作的液相反應(yīng)A→R，反應(yīng)速率測(cè)定結(jié)果列于下表。欲使反應(yīng)物濃度由

cA0=1.3kmol·m-3降到0.3kmol·m-3需多少時(shí)間?

cA/kmol·m-3

解

1.3

2.0

(?rA)/kmol·m-3min-50.100.060.050.0450.042

cA0?1.3kmol?m-3tr?cA0?xA0cAf?0.3kmol?m-3cAdcdxAA???cA0(?r)(?rA)A

圖解積分

cAkmol?m-3

?1?rA1.32.0

103.332.01.672.04.01016.720.022.223.8

tr?0.1?2.0?16.7?2(1.67?2?4?10)??0.2(16.7?20)220.3?(20?22.2)?2.702?3.67?6.33?12.7min2

18一氣相分解反應(yīng)在常壓間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，在400K和500K溫度下，其反應(yīng)速率均可

表達(dá)為?rA=23pA2mol·m-3s-1，式中pA的單位為kPa。求該反應(yīng)的活化能。解

將分壓換算成濃度：pA?cART400K下：2?rA?23pAkmol?m?3s?12?400R??rA?23cA2同理：500K下：2?500R??rA?23cA2??rA?400??rA?500

?16E?11????exp?????8.314400500???25????E?7421J?mol?1

19有如下化學(xué)反應(yīng)

CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4(I)(A)(B)(P)(I)

在反應(yīng)前各組分的摩爾數(shù)分別為nI0=1mol；nA0=2mol；nB0=3mol；nP0=0，求化學(xué)膨脹率（用兩種方法）。解方法一

?A?yA0?A1?1?1?A???11方法二

yA021??1?2?331

?A??3?A?

Vx?1?Vx?01?0??3?2??2??1?2?3?1???

Vx?01?2?3320在555K及0.3MPa下，在平推流管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相反應(yīng)A→P，已知進(jìn)料中含A30%（摩爾分?jǐn)?shù)），其余為惰性物料，加料流量為6.3mol·s-1，動(dòng)力學(xué)方程式為?rA=0.27cAmol·m-3s-1為了達(dá)到95％轉(zhuǎn)化率，試求：(1)所需空速為多少?(2)反應(yīng)器容積大小?解

6.3?10?3?8.314?555.15V0??0.0969m3s?13000.95dx0.95dxA11A??cA0????ln?11.10s00?rA0.27?1?xA?0.271?0.95SV???1?11.10?1?0.09s?1VR?V0??0.0969?11.10?1.075m3標(biāo)準(zhǔn)空速為：Tp273.15?0.3V000.0969Tp0555.15?0.1013?0.131SVNO??s?1VR1.075

21液相一級(jí)不可逆分解反應(yīng)A→B+C于常溫下在一個(gè)2m3全混流反應(yīng)器（CSTR，MFR，

連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器）中等溫進(jìn)行。進(jìn)口反應(yīng)物濃度為1kmol·m-3，體積流量為1m3hr-1，出口轉(zhuǎn)化率為80%。因后續(xù)工段設(shè)備故障，出口物流中斷。操作人員為此緊急中止反應(yīng)器進(jìn)料。半小時(shí)后故障排除，生產(chǎn)恢復(fù)。試計(jì)算生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)反應(yīng)器內(nèi)物料的轉(zhuǎn)化率為多少？解

首先求反應(yīng)速率常數(shù)VcA0?cA?V0?rAf21?0.2?10.2kk?2hr?1全混流反應(yīng)器切斷進(jìn)出料即為間歇反應(yīng)器cAcA?e?kt?e?2?0.5cA?0.0736kmol?m?3cA00.2xA?

cA0?cA1?0.0736??0.9264cA0122第17題中的反應(yīng)，(1)當(dāng)cA0=1.2kmol·m-3，進(jìn)料速率1kmolA·hr-1，轉(zhuǎn)化率為75％；(2)cA0=1.3kmol·m-3，進(jìn)料速率2kmolA·hr-1，出口為0.3kmol·m-3；(3)cA0=2.4kmol·m-3，出口依舊為0.3kmol·m-3，進(jìn)料速率為1kmolA·hr-1。計(jì)算三種狀況下，用全混流反應(yīng)器的體積各為多少?解

VcA0?cA?V0?rAfV0?FA0cA0由數(shù)據(jù)表，對(duì)應(yīng)?rA?0.5kmol?m?3min?1cA?1.2?1?0.75??0.3VR1?VR2VR311.2?0.3??0.025m31.20.5?6021.3?0.3???0.051m31.30.5?6012.4?0.3???0.029m32.40.5?60

23反應(yīng)A+B→R+S，已知VR=0.001m3，物料進(jìn)料速率V0=0.5×10-3m3min-1，

cA0=cB0=5mol·m3，動(dòng)力學(xué)方程式為?rA=kcAcB，其中k=100m3kmol-1min-1。求：(1)反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)出口轉(zhuǎn)化率為多少？(2)欲用全混流反應(yīng)器得到一致的出口轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)器體積應(yīng)多大?(3)若全混流反應(yīng)器體積VR=0.001m3，可達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為多少?已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA飽和=0.02kmol·m-3，水溶液流量為10m3hr-1。解平推流

VR1?V0kcA0xAf?1??xAf0dxA11?(?1)2(1?xA)kcA01?xAf11?1??0.5Vkc0.001?0.1?51?RA01?V00.0005(1)全混流

VRcA0?cAcA0?cA0.005?0.0025????42V0?rAkcAcB100?0.0025VR?V0??0.5?10?3?4?2?10?3m3VRcA0?cAcA0?cAcx???2A0A2V0?rAkcAcBkcA0?1?xA?0.5?10?3xAm?(2)VR?0.0012100?0.005?1?xA?3

1?

xA?1?xA?2xA?0.382024在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行如下等溫液相反應(yīng)：

2A→B＋CA＋B→2D

rc=k1cA2rD=2k2cAcB

A的初始濃度為2.5kmol·m-3，A和C的出口濃度分別為0.45和0.75kmol·m-3。假設(shè)進(jìn)口物流中不含B、C、D，反應(yīng)時(shí)間為1250sec，求：1.出口物流中B和D的濃度；2.k1和k2。解

反應(yīng)共消耗A2.5?0.45?2.05kmol?m?3每消耗2個(gè)A生成1個(gè)C，生成C所消耗的A為2?0.75?1.5kmol?m?3生成D所消耗的A為2.05?1.5?0.55kmol?m?3每消耗1個(gè)A將生成2個(gè)D，因此D的出口濃度為0.55?2?1.1kmol?m?3每生成1個(gè)C伴生1個(gè)B，但每生成1個(gè)D又消耗0.5個(gè)B，所以，B的濃度為0.75?0.5?1.1?0.2kmol?m?3?CC0.75?0??1250?rCk1?0.452k1?2.963?10?3m3kmol?1s?1?CDrD1.1?02k2?0.45?0.2

??1250?k2?4.889?10?3m3kmol?1s?1

其次章習(xí)題

1.動(dòng)力學(xué)方程的試驗(yàn)測(cè)定時(shí)，有采用循環(huán)反應(yīng)器的，為什么?

答：循環(huán)反應(yīng)器行為與全混流反應(yīng)器一致，可以得到反應(yīng)速率的點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且反應(yīng)器進(jìn)出口濃度差比較大，對(duì)分析精度要求不很高。

2.為什么可逆吸熱反應(yīng)宜選平推流反應(yīng)器且在高溫下操作，而可逆放熱反應(yīng)卻不是?根據(jù)

可逆放熱反應(yīng)的特點(diǎn)，試問(wèn)選用何種類(lèi)型反應(yīng)器適合?為什么?

答：可逆吸熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與化學(xué)平衡都隨溫度的升高而升高，高溫下操作對(duì)二者都有利。可逆放熱反應(yīng)的化學(xué)平衡隨溫度的升高向反應(yīng)物方向移動(dòng)，對(duì)達(dá)到高轉(zhuǎn)化率不利。對(duì)此類(lèi)反應(yīng)，可選用多段絕熱反應(yīng)器或換熱條件較好的管式反應(yīng)器。

3.一級(jí)反應(yīng)A→P，在一體積為VP的平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，已知進(jìn)料溫度為150℃，活化

能為84kJ·mol-1，如改用全混流反應(yīng)器，其所需體積設(shè)為Vm，則Vm/Vp應(yīng)有何關(guān)系?當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0.6時(shí)，假使使Vm=Vp，反應(yīng)溫度應(yīng)如何變化?如反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為n=2，1/2，?1時(shí)，全混流反應(yīng)器的體積將怎樣改變？解：

(?rA)?kcA?k0exp(?PFRCSTRE)cARTxAdxVP1xAdxA?1A????ln(1?xA)?00FA0(?rA)cA0k1?xAcA0kVmxA?FA0cA0k(1?xA)

Vm?xAk?Vpk(1?xA)ln(1?xA)EExA??exp(?)RTmRTp(1?xA)ln(1?xA)IFTp?TmVm?xAk?VPk(1?xA)ln(1?xA)??xA(1?xA)ln(1?xA)VIFm?1andxA?0.6VP?E?TP?Tm??0.6?1??exp???RTT??1?0.6?ln(1?0.6)Pm???84000?423.15?Tm?????1?exp??8.314?423.15T???1.637m??????423.15?Tm?????0.6109?exp?23.876????Tm????423.15?Tm?0.4929?23.876Tm?0.02064Tm?423.15?TmTm?432.07K

?VmxAVm21n?2,???2FkcVm1cAA0A?VmxAVm1/2?1/2n?1/2,??c?A1/2FkcVA0Am1?VmxAVm?1?n??1,2??1?cA?FkcVA0Am1?Vmn1Fx?n?1或Vmn?A0nAfVm1cAkcAf

k1???4.在體積VR=0.12m的全混流反應(yīng)器中，進(jìn)行反應(yīng)A?BR?S，式中???k23

k1=7m3kmol-1min-1，k2=3m3kmol-1min-1，兩種物料以等體積參與反應(yīng)器中，一種含

2.8kmolA·m-3，另一種含1.6kmolA·m-3。設(shè)系統(tǒng)密度不變，當(dāng)B的轉(zhuǎn)化率為75％時(shí)，求每種物料的流量。解

2.8?1.4kmol?m?321.6cB0??0.8kmol?m?32cB?0.8?1?0.75??0.2kmol?m?3cA0?cR?cS?0.8?0.75?0.6kmol?m?3cA?1.4?0.6?0.8kmol?m?3?rA?7?0.8?0.2?3?0.6?0.6?0.04kmol?m?3min?1

??v?cB0?cB0.8?0.2??15min?rA0.040.12?60?0.48m3hr?115每一股是總物料量的一半：vA?vB?

0.48?0.24m3hr?12??，已知c?0.5kmol?m?3,5.可逆一級(jí)液相反應(yīng)A?A0???PcP0?0；當(dāng)此反應(yīng)在間歇反應(yīng)

器中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)8min后，A的轉(zhuǎn)化率為33.3%，而平衡轉(zhuǎn)化率是66.7%，求此反應(yīng)的

動(dòng)力學(xué)方程式。解

dcA?k1cA?k2cP?k1cA?k2?cA0?cA?dtcA?cA0(1?x)?rA??cP?cA0x?dcAcA0dx??k1cA0?1?x??k2cA0xdtdt

dx?k1?(k1?k2)xdtdx?dtk1?(k1?k2)x?t?0,x?0??t?t,x?x

?1k?(k1?k2)xln1?tk1?k2k1K?K?k1cPecA0xex0.667???e??2k2cAecA0(1?xe)1?xe1?0.667k1?2k2x?0.333t?8??1???1ln?1?1??0.333?????8k1?k2?2?????10.6931ln?0.5???8k1?k2k1?k2?k1?k2?0.08664?k1/k2?2??k1?0.05776min?1??1k?0.02888min?2dc?rA??A?0.05776cA?0.02888cPdt

6.平行液相反應(yīng)

A→PrP=1A→RrR=2cAA→SrS=cA2已知cA0=2kmol·m-3，cAf=0.2kmol·m-3，求以下反應(yīng)器中，cP最大為多少?(1)平推流反應(yīng)器；(2)全混流反應(yīng)器；(3)兩一致體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)，cA1=1kmol·m-3。解

SP?rP11??2rP?rR?rS1?2cA?cA(1?cA)21cA0?cAfForPFRSp??cA0cAfSPdcAcA0

cP?Sp(cA0?cAf)???cAf1dcA2(1?cA)1111????0.5kmol?m-3(1?cAf)(1?cA0)1?0.21?2ForCSTRcP?Sp(cA0?cAf)?(cA0?cAf)?1.25kmol?m-311?(2?0.2)22(1?cAf)(1?0.2)FortwoCSTRinSeriescP?(cA0?cA1)SP1?(cA1?cAf)SP211?(1?0.2)(1?1)2(1?0.2)2?0.25?0.56?(2?1)?0.81kmol?m-3

7.自催化反應(yīng)A+P→2P的速率方程為：?rA=kcAcP，k=lm3kmol-1min-1，原料組成為含A

13%，含P1%（摩爾百分?jǐn)?shù)），且cA0+cP0=lkmol·m-3，出口流中cP=0.9kmol·m-3，計(jì)算采用以下各種反應(yīng)器時(shí)的空間時(shí)間(τ=VR/V0)。(1)平推流反應(yīng)器；(2)全混流反應(yīng)器；(3)平推流與全混流反應(yīng)器的最正確組合；(4)全混流反應(yīng)器與一分開(kāi)器的最正確組合。解

cA0?1kmol?m31?0.0714xAf?0.9142?rA?kcAcP?kcA0(1?xA)cA0xA?kcA0(1?xA)xAxAin?dxA1???rA?kcA0dxA1??1?xA?xAkcA0?11?????xAin??dx1?xxAA??xAfForPFR??cA0?xAfxAin?xAfxAin?xAf??0.9??????1?x?111?0.9Af???4.76min?ln??ln?kcA0?xAin?1?1?0.0714?????1?x??1?0.0714??Ain??ForCSTR??cA0xAf?xAin10.9?0.0714???9.2min2kcA1?xAf?xAf1?1?1?0.9??0.90?ForCSTR?PFR由于1d??rA?與?rA的極值點(diǎn)一致,令?0，有1?2xA?0，xA1?0.5?rAdxA?1?1x?xAin10.5?0.0714?Af???1.71minkcA0(1?xA1)xA11?1(1?0.5)?0.5?3cA1?cA0(1?xA1)?0.5kmol?m

?0.9???1?0.9???2?ln?2.20?0.5???1?0.5?????1??2?1.71?2.20?3.91minForCSTR?分開(kāi)器d??rA??0,dxAxA1?0.5

??1xAf?xAin10.5?0.0714???1.71minkcA0(1?xA1)xA11?1(1?0.5)?0.5

8.在兩個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)，進(jìn)出口條件一定時(shí)，試證明當(dāng)反應(yīng)器大小

一致時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器的總?cè)莘e最小。證

??cA0?cAf(?rA)f?1??cA0?cA1cA01??kcA1kcA1k?2?cA1?cAfc1?A1?kcAfkcAfkcA1?cA0cAfd(?1??2)?0dcA1cA01??02kcA1kcAf

2cA1?cA0cAf?cA011?cA0?????1??kcA0cAfkk?cAf??1??2VR1?VR2?1??2??cA0cAf11?cA0?????1??kcAfkk?cAf?

9.半衰期為20小時(shí)的放射性流體以0.1m3hr-1的流量通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的40m3全混流反應(yīng)器

后，其放射性衰減了多少？解

只有一級(jí)反應(yīng)存在半衰期的概念。首先求反應(yīng)速率常數(shù)：cA?e?ktcA00.5?e?20kk?0.03466hr?1對(duì)全混流反應(yīng)器，??40c??cA0?1?xA??代入數(shù)據(jù)?第一釜?：?A00.1kcA0?1?xA?其次釜，單釜轉(zhuǎn)化率仍為0.9327?？傓D(zhuǎn)化率1??1?0.9327??0.99552cA0?cA?rA

400?xA?1?xA?0.03466xA?0.932710.A進(jìn)行平行分解反應(yīng)，其速率式為

↗RrR=1kmol·m-3min-1A→SrS=2cAkmol·m-3min-1↘TrT=cAkmol·m-3min-1

其中R是所要求的目的產(chǎn)物，cA0=1kmol·m-3。試問(wèn)在下述反應(yīng)器進(jìn)行等溫操作時(shí)，預(yù)計(jì)最大的cR為多少?(1)全混流反應(yīng)器；(2)平推流反應(yīng)器。解

低濃度操作對(duì)生成目的產(chǎn)物R有利，對(duì)全混流反應(yīng)器，可在極低的濃度下操作

cR?(cA0?cAf)Sp?(cA0?cAf)?(1?0)1?11?0?011?2cAf?cAf

對(duì)平推流反應(yīng)器，則盡量使其轉(zhuǎn)化率提高。

cR??cA0?cAf?Sp??1dcAcAf1?3cAfcA011?ln?0.462mol?m331?0

11.在0℃時(shí)純氣相組分A在一恒容間歇反應(yīng)器依以下計(jì)量方程反應(yīng)：A→2.5P，試驗(yàn)測(cè)得

如下數(shù)據(jù)：時(shí)間/s

0

2

4

6

8

10

12

14

∞

pA/MPa0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.0280.020求此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。

解

當(dāng)t→∞時(shí)，pAe=0.2故為可逆反應(yīng)，設(shè)此反應(yīng)為一級(jí)可逆反應(yīng)，則

dpA?k1pA?k2pP?k1pA?2.5k2?pA0?pA?dt

pAe?pA0積分，得(k1?2.5k2)t?lnpA?pAe?以(-ln(pA-pAe))對(duì)t作圖

t

0

2

4

6

8

10

12

14

pA0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.028PA-pAe0.080.060.04250.0310.0220.0160.0120.008-ln(pA-pAe)2.5262.8133.1583.4743.8174.1354.4234.828

BLinearFitofData1_B5.04.5-ln(pA-pAe)4.03.53.02.50246810121416ty?0.1633t?2.5035?k1?2.5k2?0.1633?k12.5(pA0?pAe)2.5(1?0.2)?K????10?k2pAe0.2?k1?0.131k2?0.0131?rA?0.131pA?0.0327?pA0?pA?

12.氣相反應(yīng)A+B=R的動(dòng)力學(xué)方程為(?rA)=k(pApB?pR/KP)，式中

??2620?k?3.5?10?8exp??T???3560?KP?7.0?10?12exp???T?解

mol?m?3s?1Pa?2

Pa?1

請(qǐng)確定最正確反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。

?p??rA?k?pApB?R??Kp??????pR??????kpApB????Kp?????rA??????T?T????????p?2620?????R??3.5?10-8exp????pApB?T??3560?????12?7.0?10exp??????T?????????T?2620??2620??3.5?10-8exp???pApB?2?T???T?3.5?10-8??3560?2620??3560?2620??pexp????RT7.0?10?12T2???????rA??0?T3560?2620??3560?2620pApB?pexp??RT7.0?10?12???2620?7.0?10?12pApB?3560?ln???3560?2620?TpR?Top??3560?????2620?7.0?10?12pApBln???3560?2620?pR?設(shè)初始時(shí)pA0?pB0，pR0?0pA?Top?pA0?1?xA??1??AxA?pB??3560?????3560?????pR11ln?3.37?10?pApB??A??0.5pR??pA0?1?xA??1??AxA?pA0xA?1??AxA?3560

?2620?7.0?10?12pA0?1?xA?2??ln???3560?2620?x?1?0.5x??AA??校核：?x?1?0.5xA???ln?3.37?1011A2??pA0?1?xA???比較合理。比較合理。設(shè)pA0?0.05MPa，xA?0.5代入設(shè)pA0?0.05MPa，xA?0.75代入T?221KT?201K13.某液相一級(jí)不可逆反應(yīng)在體積為VR的全混釜中進(jìn)行，假使將出口物料的一半進(jìn)行循環(huán)，

新鮮物料相應(yīng)也減少一半，產(chǎn)品物料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物生成速率有什么變化？解

全混流循環(huán)時(shí)??cA0xAf?xA0

?rAf出口物料一半與等量的xA=0的物料混合，xA0=0.5xAf。

??cA0xAf?0.5xAf0.5xAf?kcA0?1?xAf?k?1?xAf?2k??xAf1?xAfxAf?2k?

1?2k?與簡(jiǎn)單地把處理量減半等效。

cA0xAfV0?2k??V0cA0kVR?cA0???2?1?2k??21?2k?

14.有一自催化反應(yīng)A→R，動(dòng)力學(xué)方程為?rA=0.001cAcRkmol·m-3s-1。要求反應(yīng)在4個(gè)

0.1m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)物初始濃度cA0=10kmol·m-3，cR0=0，處理量為5.4m3hr-1。如何排列這4個(gè)反應(yīng)器（串聯(lián)、并聯(lián)、或串并聯(lián)結(jié)合）才能獲得最大的最終轉(zhuǎn)化率？最大的轉(zhuǎn)化率是多少？解

?rA?0.001cAcR?0.001cA?cA0?cA?d?0.001cA?cA0?cA???0dcA當(dāng)d??rA??0,?rA最大dcAcA?1cA0?cR?52?cA0?cA??cA?0??cA0?cA10?5??200s0.001cAcR0.001?5?5

將3個(gè)反應(yīng)器并聯(lián)，??另外一個(gè)串聯(lián)在后面0.1?3?3600?200s，恰好是最正確操作條件。5.4cA?3.486kmol?m?3VRc?c5?cA?A0A?V00.001cAcR0.001cA?5??5?cA??xA?1?

cA3.486?1??0.6514cA01012??B???C，k1=0.25hr-1，k2=0.05hr-1，進(jìn)料流率V0為15.一級(jí)不可逆連串反應(yīng)A?kk1m3hr-1，cA0=1kmol·m-3，cB0=cC0=0。試求：采用兩個(gè)VR=1m3的全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，

反應(yīng)器出口產(chǎn)物B的濃度。解

cA?cA01?1?k1?m?cB?cA0k1?m?1?k1?m??1?k2?m??m?VR1??1hrV011?0.8kmol?m?3?1?0.25?1?0.25第一個(gè)反應(yīng)器出口：cB1??0.1905kmol?m?3?1?0.25??1?0.05?0.8其次個(gè)反應(yīng)器出口：cA2??0.64kmol?m?3?1?0.25?第一個(gè)反應(yīng)器出口：cA1?就其次個(gè)反應(yīng)器對(duì)B作物料衡算：V0cB2?V0cB1??k1cA2?k2cB2?VR從中解出cB2：cB2?k1cA2VR?V0cB10.25?0.64?0.1905??0.3338kmol?m?3V0?k2VR1?0.05

16.某氣相基元反應(yīng)：

A+2B→P

已知初始濃度之比cA0:cB0=1:3，求解

dxA的關(guān)系式。dt1dnAnA?nA0?1?xA?V?V0?1??AxA?Vdt1?1?211?A???2yA0???A??0.511?34cA0dxA2?rA??kcAcB

?1?0.5xA?dt?rA??cA?cA0cB?1?xA1?0.5xAnB?nB0?2nA0xAnBnB0?2nA0xA3nA0?2nA0xA3?2xA???cA0VV0?1?0.5xA?V0?1?0.5xA?1?0.5xA2?3?2xA?dxA2?????kcA1?x0A??dt1?0.5xA??

17.已知常壓氣相反應(yīng)

k1???R?S

2A?B???k2動(dòng)力學(xué)方程為?rA?k1cAcB?k2cRcS，試用以下三種方式表達(dá)動(dòng)力學(xué)方程：(1)組分分壓；(2)組分摩爾分率；

(3)組分初始濃度和A的轉(zhuǎn)化率。

abrs解

pA?cARTabrspApBpRpS?rA?kcc?kcc?k1?k?RT?a?b2?RT?r?spA?P總yAab1ABrs2RSabrspApBpRpSab?P總??rA?k1?k?kyy??21ABa?br?s?RT??RT??RT?a?b

?rs?P?k2yRyS?總??RT?r?scA?cA0cR?1?xA1??AxAcB?cB0?0.5cA0xA1??AxAcS0?0.5cA0xA1??AxAbcR0?0.5cA0xA1??AxAacS??1?xA??rA?k1?c?A01??x??AA???cR0?0.5cA0xA???k2??1??x?AA??r?cB0?0.5cA0xA????1??x?AA??s

?cS0?0.5cA0xA????1??x?AA??

18.高溫下二氧化氮的分解為二級(jí)不可逆反應(yīng)。在平推流反應(yīng)器中101.3kPa下627.2K時(shí)等

溫分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1，處理氣量為120m3hr-1（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），使NO2分解70%。當(dāng)(1)不考慮體積變化；(2)考慮體積變化時(shí)，求反應(yīng)器的體積。解

2NO2?N2?2O22?rA?kcA,k?1.7m3kmol?1s?1,T?627.2K,V0?120Nm3hr?1xA?0.70p?0.1013kPa,(1)恒容過(guò)程

0.7VR?FA0?FA0?0dxA22kcA0(1?xA)120?1.488?10?3kmol?s?122.4?3600

101.3cAS??0.01943kmol?m?38.314?627.21.488?10?3xA3VR1???5.41m21.7?0.019431?xA(2)變?nèi)葸^(guò)程

VR2?FA02kcA0?0.701??AxAdxA1?xAyA0?1,2?A?VR2?2?1?2?0.5,2FA02kcA0?A?0.5?1?0.5??0.70?1?0.5xA?FA0??dx??1?x?Akc2AA0??2?0.70??0.5?0.5xA?1.5???dxA??1?xA??2

0.25FA0?2kcA0?0.70?3?0.25FA0???1dx?2?1?x?AkcAA0???0.70??96????1?(1?x)21?x?dxAAA???0.25FA0?9xA??6ln(1?x)?xAA?2??kcA0?1?xA?x?8.382m3A?0.7

19.均相氣相反應(yīng)A→3P，聽(tīng)從二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在0.5MPa、350℃和V0=4m3hr-1下，采用

—個(gè)25mm內(nèi)徑，長(zhǎng)2m的試驗(yàn)反應(yīng)器，能獲得60％轉(zhuǎn)化率。設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)平推流反應(yīng)器，當(dāng)處理量為320m3hr-1，進(jìn)料中含50%A，50%惰性物料時(shí)，在2.5MPa和350℃下反應(yīng)，為獲得80%的轉(zhuǎn)化率．求需用25mm內(nèi)徑，長(zhǎng)2m的管子多少根?這些管子應(yīng)并聯(lián)還是串聯(lián)？解

(1)求速率常數(shù)k

pA0500??0.0965kmol?m?3RT8.314?623.15πVR??0.0252?2?9.817?10?4m34

3?1?A??2yA0?1?A?211?xA222?rA?kcA?kcA0()1?2xAcA0???cA0?xAdxA2?1?xA?kcA0??1?2x??A??20?1kcA0?xA0?1?2xA???1?x??dxA??2?1?9????4x?12ln1?x??9AA??kcA0?1?xA?1?9????4?0.6?12ln1?0.6??9??kcA0?1?0.6???1?4.905kcA0

VR9.817?10?4????2.454?10?4hr?0.8836sV04k?4.905?14.905??57.52m3kmol?1s?1?cA00.8836?0.0965

(2)求反應(yīng)器體積和管數(shù)

yA0?0.5,?A?yA0?A?0.5?2?2,xA?0.8V0?320m3hr?1?0.08889m3s?1FA0?cA0pA0V00.5?2500?0.08889??0.01985kmol?s?1RT8.314?673.15p0.5?2500?A0??0.2334kmol?m?3RT8.314?623.15xAf0xAfdxxAfdxAA?FA0??FA0?200?rAkcAVR?FA0?dxA2?1?xA??kcA0?1?x??A??2??FA02kcA0FA02kcA0??xAf0xAf?1?xA???1?x??dxAA????44??dx??1??1?x?21?x?AA??0.82

0?F?4?????A0?4ln1?x?xAA?2?kcA1?x0?A?0?0.01985?4????4ln1?0.8?0.8?4??

57.52?0.23342?1?0.8?0.06564?679.817?10?4?0.06564m3N?管子的串并聯(lián)要從流體阻力和流型考慮，在保持平推流的前提下盡量并聯(lián)。

20.有一氣相分解反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為A→R+S，反應(yīng)速率方程為?rA=kcA2，反應(yīng)溫度為

500℃。這時(shí)測(cè)得的反應(yīng)速率常數(shù)為k=0.25m3kmol-1s-1。反應(yīng)在內(nèi)徑為25mm、長(zhǎng)為1m的管式反應(yīng)器中進(jìn)行，器內(nèi)壓強(qiáng)維持在101.3kPa（絕），進(jìn)料中僅含組分A，當(dāng)其轉(zhuǎn)化率為20%，空間速度為45hr-1（反應(yīng)條件下的計(jì)算值）。試求反應(yīng)條件下的平均停留時(shí)間和空間時(shí)間。解

?A?yA0cA0??A?1?2?1?11cA?cA01?xA1??AxApA0101.3??0.01576kmol?m?3RT8.314?(273.15?500)

??VRVONT273.15??0??0.007851hr?28.26sV0SVV0SVT45??273.15?500?xAf0xAft?cA0????1kcA0dxA1?(?rA)(1??AxA)kcA0?21??????1?x?21?x?dxAA?A??xAf01?xAdx?1?xA?2A?0?1?22???????ln1?x??ln1?0Af??kcA0?1?xAf1?0?

1?2??ln?1?0.2??2??0.25?0.01576?1?0.2??70.3s

第三章習(xí)題

1．有一有效容積VR=1m3，送入液體的流量為1.8m3hr-1的反應(yīng)器，現(xiàn)用脈沖示蹤法測(cè)得其

出口液體中示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為：

t/minc/kg·m-3

00

103

206

305

404

503

602

701

800

求其停留時(shí)間分布規(guī)律，即F(t)，E(t)，t，?t2解

示蹤法求停留時(shí)間分布規(guī)律

t/min01020304050607080∑

c/kg·m-3∑c03654321024

F(t)

E(t)

t·c

t2c

00000

30.1250.01253030090.37500.02501202400140.58330.02081504500180.750.01671606400210.8750.01251507500230.95830.00831207200241.00.0042704900241.00008033200

t??t2?tc?800?33.33min?c24tc33200???t??33.33c24?22

2?272.2min2

2．對(duì)某一反應(yīng)器用階躍法測(cè)得出口處不同時(shí)間的示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為：

t/minc/kg·m-3

00

2

4

6

8

10

12

14

16

0.050.110.2

0.310.430.480.500.50

求其停留時(shí)間分布規(guī)律，即F(t)，E(t)，t，?t2解:階躍法求停留時(shí)間分布規(guī)律c0=0.5kgm-3

t?ct2?c-3t/minc/kg·m∑cF(t)E(t)

c0c00

2468

00.01

00.050.160.360.67

00.62

00.050.060.090.11

0081.921.086.481.7614.08

10121416∑0.430.41.582.082.580.860.122.4240.960.00.020.567.841.00007.6869.12

t??t?c?7.68minc0t2?c22?t???t?69.12?7.682?10.14min2c0

23．請(qǐng)將習(xí)題一中停留時(shí)間分布規(guī)律用對(duì)比時(shí)間θ作變量，求F(θ)，E(θ)，?，?θ。

解

????t?tF????F?t?E?????E?t?V??RV010

20

??t22?θ?2?t/mincA/kg·m-3

0

V1??R??33.33minV01.53050.694

40

50

607010.139

8000

E?????E?t?F????F?t?

03600.41660.83300.0625

0.25

4320.55560.41660.2766

0.47920.66670.81250.91670.97921.0

??2θt??33.33?133.33?t2272.22??2??0.2452?33.33

4．應(yīng)用習(xí)題一的反應(yīng)器，進(jìn)行A+B→D反應(yīng)，已知cA0=cB0=20mol·m-3，動(dòng)力學(xué)方程為

?rA=0.005cAcBmol·m-3min-1，請(qǐng)用凝集流模型計(jì)算反應(yīng)器出口物料中A組分的轉(zhuǎn)化率，并求cA，cB，cD值。

此題若用PFR及CSTR模型計(jì)算時(shí)，物料出口中A組分的轉(zhuǎn)化率是多少?解

①凝集流模型：

xA??xAi?F?t?0?t?cA0??10?xA0xA0xAxAdxAdxAcA0dxA???2?0?rA00.005cAcB0.005cA?1?xA?20

dxA10xA??1?xA?21?xAxA?tt?10xAi?titi?10

時(shí)間t/minc/kg·m-3

F(t)

xAi?titi?10?F?ti?xAi?F?ti?

01020304050607080∑

?00365432102400.1250.3750.58330.750.8750.95831.01.000.50.6670.750.80.8330.8570.8750.889000.1250.06250.250.166750.20830.1