化學(xué)反應(yīng)工程答案郭鎧

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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

1

2rA??k1cAcB?k2cC?k3cAcC?k4cD(1)

2rB??2k1cAcB?2k2cCrC?kcc?k2cC?k3cAcC?k4cDrD?k3cAcC?k4cD2rA??k1cAcB?k2cC21AB

(2)

2rB??2k1cAcB?2k2cC?k3cBcC?k4cDrC?kcc?k2cC?k3cBcC?k4cD?k5cCcD?k6cErD?k3cBcC?k4cD?k5cCcD?k6cE22rA??2k1cAcB?2k2cC?k3cAcC?k4cD22rB??2k1cAcB?2k2cC21AB

(3)

rC?kcc?k2cC?k3cAcC?k4cDrD?k3cAcC?k4cD221AB

6

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?，F(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）解

2

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

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。解kt?1x?AcA01?xA10.81(kcA0)8min???81?0.8210.91(kcA0)18min???181?0.92假設(shè)正確，動(dòng)力學(xué)方程為?dcA2?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

3

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，cAkmol·m-3，水溶液流量為10m3hr-1。解

飽和=0.02

?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

0.0272265

0.0326186

0.0381135

0.0435104

0.054367

求此反應(yīng)的級(jí)數(shù)。解

4

?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?1.075m標(biāo)準(zhǔn)空速為：V0SVNO?

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

3

T0p273.15?0.30.0969Tp0555.15?0.1013?0.131s?1?VR1.07515

（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?rAfcA?e?ktcA0xA?

22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

21?0.2?10.2kcA?e?2?0.50.2k?2hr?1全混流反應(yīng)器切斷進(jìn)出料即為間歇反應(yīng)器cA?0.0736kmol?m?3

cA0?cA1?0.0736??0.9264cA0116

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

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VR1?V0kcA0xAf?xAf0dxA11?(?1)2(1?xA)kcA01?xAf11?1??1??0.5VRkcA00.001?0.1?51?1?V00.0005(1)全混流

VRcA0?cAcA0?cA0.005?0.0025????4V0?rAkcAcB100?0.00252VR?V0??0.5?10?3?4?2?10?3m3VRcA0?cAcA0?cAcx???2A0A2V0?rAkcAcBkcA0?1?xA?0.5?10?3xA(2)VR?0.001m?2100?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：

18

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???CCr1250?0.75?02Ck1?0.45k1?2.963?10?3m3kmol?1s?1???CDr1250?1.1?0D2k2?0.45?0.2k2?4.889?10?3m3kmol?1s?1

19

6

988

0.31

0.60.60.11.714.07

2

16810

0.43

1.10.8

0.12.4

24

6

2120.481.50.90.01.214.4

8

6

5

140.52.01.00.0

0.57.84

8

2

6160.52.51.0

0

0

0

8

∑7.669.18

2

t??t?cc?7.68min0t2?c

?2t???t2?69.12?7.682?10.14min2c0

45

3．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)，?，

?θ2。

解

????t?tF????F?t?E?????E?t?V??RV02060.8330.25

0.4792305

??t22?θ?2?00

103

V1??R??33.33minV01.5404

5030.41660.8125

6020.27660.9167

t/min7010.139

8000

cA/kg·m-3

E?????E?t?00.416

6

0.6940.555

60.6667

F????F?t?00.062

5

0.9792

1.0

??2θt??33.33?133.33?t2272.22??2??0.245

?33.332

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

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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?xA0xA0xAdxAdxAcA0???2?rA00.005cAcB0.005cA0?xA0dxA?1?xA?2xAi?titi?10

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

時(shí)間t/minc/kg·m-3

F(t)

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

00.1250.3750.5833

00.50.6670.75

00.1250.250.2083

0.8

0.166

0.13336

00.06250.166750.156225

0102030

0365

4040.75

47

7

5060

32

0.8750.9583

70

1

1.0

0.8750.8330.857

0.1250.08330.0417

80∑

024

1.0