化學反應工程習題 第三章

本文格式為Word版，下載可任意編輯——化學反應工程習題第三章第三章理想反應器

8.全混流反應器的定常態(tài)操作點的判據為_______。

9.全混流反應器穩(wěn)定的定常態(tài)操作點的判據為_______、_______。10.全混流反應器的返混_______。11.平推流反應器的返混為_______。

14.假使將平推流反應器出口的產物部分的返回到入口處與原始物料混合，這類反應器為_______的平推流反應器。

15.對于循環(huán)操作的平推流反應器，當循環(huán)比β→0時為_______反應器，而當β→∞時則相當于_______反應器。

16.對于循環(huán)操作的平推流反應器，當循環(huán)比β→0時反應器內返混為_______，而當β→∞時則反應器內返混為_______。

18.對于反應級數n＜0的反應，為降低反應器容積，應選用_______反應器為宜。19.對于反應級數n＞0的反應，為降低反應器容積，應選用_______反應器為宜。23.分批式操作的完全混合反應器非生產性時間

t0不包括以下哪一項_______。

A.加料時間B.反應時間C.物料冷卻時間D.清洗釜所用時間

2ol/l時，?rA?0.01CAmol/l?s，24.在間歇反應器中進行等溫二級反應A→B，當CA0?1m求反應至CA?0.01mol/l所需時間t=_______秒。（D）A.8500B.8900C.9000D.9900

ol/l時，25.在間歇反應器中進行等溫一級反應A→B，?rA?0.01CAmol/l?s，當CA0?1m求反應至CA?0.01mol/l所需時間t=_______秒。（B）A.400B.460C.500D.560

30.全混流釜式反應器最多可能有_______個定常態(tài)操作點。（C）A.1B.2C.3D.431.全混流反應器中有_______個穩(wěn)定的定常態(tài)操作點。（B）A.1B.2C.3D.433.一級不可逆液相反應A2R，CA0?2.30kmol/m，出口轉化率xA3?0.7，每批

操作時間t?t0?2.06h，裝置的生產能力為50000kg產物R/天，MR=60，則反應器的體積V為_______m。（C）

A.19.6B.20.2C.22.2D.23.4

P(主)A339.對于單一反應組分的平行反應大，則最適合的反應器為_______。（A）S(副)，其瞬間收率?P隨CA增大而單調增

A.平推流反應器B.全混流反應器

C.多釜串聯(lián)全混流反應器D.全混流串接平推流反應器

P(主)A40.對于單一反應組分的平行反應

S(副)，其瞬間收率?P隨CA增大而單調下

降，則最適合的反應器為_______。（B）A.平推流反應器B.全混流反應器

C.多釜串聯(lián)全混流反應器D.全混流串接平推流反應器43.簡述等溫恒容平推流反應器空時、反應時間、停留時間三者關系？答：空時是反應器的有效容積與進料流體的容積流速之比。反應時間是反應物料進入反應器后從實際發(fā)生反應的時刻起到反應達某一程度所需的反應時間。停留時間是指反應物進入反應器的時刻算起到離開反應器內共停留了多少時間。由于平推流反應器內物料不發(fā)生返混，具有一致的停留時間且等于反應時間，恒容時的空時等于體積流速之比，所以三者相等。

2r?k2CA，E2，當E1＞E2時如何選擇操作溫度可以提r?kCR1A45.對于反應，，E1；S高產物的收率？

答：

3

46.在間歇釜中一級不可逆反應，液相反應A→2R，?rA?kCAkmol/m·h，k=9.52×

9-13

10exp[-7448.4/T]h，CA0?2.3kmol/m，MR?60，CR0?0，若轉化率xA?0.7，裝置

的生產能力為50000kg產物R/天。求50℃等溫操作所需反應器的有效容積？（用于非生產性操作時間t0=0.75h）解：反應終了時R的濃度為

CR?2CA0xA?3.22(kmol/m3)

t?CA0?dxA1xAdxA11???ln0kCk01?xAk1?xAA.4??7448k?9.52?109exp????0.92?273?50?

xAt?11ln?1.31(h)0.921?0.7

VCRMR50000?t?t024

V?50000?2.06?22.2(m3)24?3.22?60

CH=CH2(A)+CH2=CHCOOCH3(B)COOCH3(C)47.

CH2=CH該反應在全

3

混流反應器中進行，以AlCl3為催化劑，反應溫度20℃，液料的體積流速為0.5m/h，丁二

33

烯和丙烯酸甲酯的初始濃度分別為CA0?96.5mol/m，CB0?184mol/m，催化劑的濃度為

CD?6.63mol/m3。速率方程?rA?kCACD，式中k=1.15×10-3m3/mol·ks，若要求丁二

烯轉化率為40%。求：反應器的體積V；解：A+B→C

?rA??dCA?kCACD?kCA0(1?xA)CDdt??CA0xACA0xAxA???rAkCA0(1?xA)CDk(1?xA)CD

對于全混流反應器∵

??∴

0.4?87.4(ks)?24.28(h)1.15?10?3?(1?0.4)?6.63Vv0v0?0.5m3/h

??∵

3V??v?24.28?0.5?12.14m0∴

在分批式反應器內的反應時間為

t?CA0?xA0dxA1??rAkCD?0.40dxA?67(ks)1?xA

3

48.在全混流反應器中一級不可逆反應，液相反應A→2R，?rA?kCAkmol/m·h，k=9.52

9-13

×10exp[-7448.4/T]h，CA0?2.3kmol/m，MR?60，CR0?0，若轉化率xA?0.7，裝

置的生產能力為50000kg產物R/天。求50℃等溫操作所需反應器的有效容積和它的容積效率?？（用于非生產性操作時間t0=0.75h）解：（1）進料速度v0

?CR?2CA0xA

?v0CR?2CA0v0xA?5000024?MR

以CA0?2.3,xA?0.7,MR?60

v0?50000/(24?60?2?2.3?0.7)?10.78m3/h

（2）反應器有效容積V

???xAVCA0xA??v0kCAk(1?xA)

?V?v0xA?27.34m3k(1?xA)

(3)

t?CA0?xA0dxA1xAdxA11???lnkCAk01?xAk1?xA

.4??7448k?9.52?109exp????0.92273?50??t?11ln?1.31(h)0.921?0.7

??t??1.13?0.5162.54

3

2

49.現(xiàn)有一有效容積為0.75m的攪拌釜反應器，其內設置有換熱面積為5.0m的冷卻盤管。

欲利用改反應器來進行A→R的一級不可逆的液相反應，其速率常數

.9??1?5525k?1.0788?109exp??(h)?J/molA，原料液中A的T??，反應熱(??Hr)?20921濃度

CA0?0.2mol/l，但不含反應產物R。此原料液的密度ρ=1050g/l；定壓比熱

3v?3m/h，反應器出口的反應液中CP?2.929（J/g·℃）0。要求原料液的進料流率為

CA?0.04mol/l?？倐鳠嵯禂礥=209.2（KJ/m2·h·℃）。所用的冷卻介質的溫度為25℃。

試求滿足上述反應要求所需的反應溫度以及料液的起始溫度T0。

解：1)計算反應溫度T

CA1?CA01?k?

(k?CA0?1)CA??(0.220.75?1)()?180.043

5525.9]T

k?1.0788?109exp[?根據

T?308.6K

T0?T?2）

V(?rA)(??Hr)?UA(T?Tm)]v0?cP

18?0.04?0.75?20921?209.2?5?(308.6?298.16)?297.4K3?1050?2.929

2CH3COOH(C)乙酸酐發(fā)生水解，反應溫度25℃，k=0.1556

3

T0?308.6?50.(CH3CO)2(A)+H2O(B)-1

min，采用三個等體積的串聯(lián)全混流釜進行反應，每個釜體積為1800cm，求使乙酸酐的總轉化率為60%時，進料速度v0。

解：初始濃度為CA0，離開第一釜為CA1，依次為CA2、CA3。

∵

?1?CA0?CA1(?rA)1(?rA)1?kCA1CA0?CA1C11?A1??xA1?1?kCA1CA01?k?11?k?1

∴

?1?CA21?對其次釜CA11?k?2

對于等體積釜串聯(lián)?1??2??

CA211??x?1?A2CA0(1?k?)2(1?k?)2xA3?1?1(1?k?)3

同理

∴τ=2.3（min）

?51.串聯(lián)全混流反應器進行一級不可逆反應，假定各釜容積、溫度一致，

v0?V?1800?782.6(cm3/min)2.3

k?0.92(h?1),?0?10m3h,xA?0.9,試計算N為1，2，3的反應有效容積，如不考慮非

生產性操作時間的條件下分批式反應器的有效容積。

xA,N?1?解：利用

1(1?k?i)N

N(個)123

V（m）97.847.037.6若采用分批式

31111ln?ln?2.503hk1??0.921?0.9t?A

t??VB,其中?為N?1時V

97.8?9.78h102.503?VB??97.8?25.03m39.78

??52.應用兩個按最優(yōu)容積比串聯(lián)的全混流釜進行不可逆的一級液相反應，假定各釜的容積和操作溫度都一致，已知此時的速率常數k=0.92h，原料液的進料速度v0=10m/h，要求最終

-1

3

轉化率xA?0.9，試求V1、V2和總容積V。

解：對于一級不可逆反應應有

1?()??rA1??11?????xA1?xA1?kCA0(1?xA1)?kCA0(1?xA1)2

?(1)?rA,i1?xA,i?1?11?????r?r?A,i??A,i?1?

代入

?xA,i?xA,i11?2xA1?xA0得kCA0(1?xA1)??11????kCA0(1?xA2)kCA0(1?xA1)?

2整理得xA1?2xA1?xA2?0

∵xA2?0.9，∴xA1?0.6838

∴

?1?xA10.6838??2.35(h)k(1?xA1)0.92(1?0.6838)

V1?v0?1?23.5(m3)

?2?xA2?xA10.9?0.6838??2.35(h)k(1?xA2)0.92(1?0.9)

V2?v0?2?23.5(m3)

3總容積V?V1?V2?47(m)

53.用兩串聯(lián)全混流反應器進行一個二級不可逆等溫反應，已知在操作溫度下

k?0.92(m3kmol?1h?1),CA0?2.30kmolm3,v0?10m3h,要求出口xA=0.9，計算該操作

最優(yōu)容積比(V1V2)和總容積V。

1)rA1?12?[]?2223?x?xkC(1?x)kC(1?x)A1A1A0A1A0A1解：

?(??(?代入

1)rA,1?xA,12?111[??]xA,1?xA,0rA,2?rA,1

?111[?]2222xA,1kCA0(1?xA,1)kCA0(1?xA,1)

kCA0(1?xA,1)3322xA1?3xA1?3.01xA1?0.99?0xA1?0.741

?

?1?xA1?xA00.741??5.22h22kCA0(1?xA1)1.92?2.3?(1?0.741)

?2?xA2?xA10.9?0.741??7.51h22kCA0(1?xA2)0.92?2.3?(1?0.9)

V1V2?總容積

?15.22??0.695?27.51

V?V1?V2???v0

3V?10?(7.51?5.22)?127.3m?

54.應用管徑為D=12.6cm的管式反應器來進行一級不可逆的氣體A的熱分解反應，其計量

9-1

方程為A=R+S；速率方程為?rA?kCA；而k=7.8×10exp[-19220/T](s),原料為純氣體A,

0

反應壓力P=5atm下恒壓反應,T=500C。xA?0.9,FA0=1.55kmol/h,求所需反應器的管長L,

停留時間t，空時τ（理想氣體）。解：反應氣體的進料體積流速為：

v0?FA0RT1.55?0.082?773??19.66(m3/h)P5

反應流體在管內的體積流速為：v?FRT?F0(1??AyA0xA)RT/PP

此處：F0?FA0（純氣體）；yA0?1.0，

?A?1RT2?1??1P1，CA0∴v?FA0(1?xA)/CA0

CA?FAFA0(1?xA)CA0(1?xA)CA0??vFA0(1?xA)(1?xA)

而

??V1xA(1?xA)dxA?v0k?0(1?xA)

??[2ln∴

1k1?xA]?29.88(s)?0.0083(h)1?xA

4v0?4?5.46?103?29.884VL????13.0(m)222?D?D3.14?(0.126)

t?1xAdxA11?ln?18.57(s)k?01?xAk1?xA

55.液相原料中反應物A進入平推流反應器中進行2A?R的反應，已知

CA0?1moll,V?2l,?rA?0.05CAmoll?s。v求：1）當出口濃度CA?0.5moll時的進料流0。

2)當進料流量

2v0?0.5lmin時出口濃度CAf。

xAdxVVA???0?rCA0v0A解：1）FA0xACA0dxAdCA111???(?)?20s2CA?rA0.05CC0.05CAAA0

??CA0???2）

0111V2?60(?)???240s0.05CACA0v00.5

11?12??12?1?13CACA0CA?1?0.077moll13

56.自催化反應A+R→2R，其速率方程為：?rA?kCACR，在70℃下等溫地進行此反應，

333在此溫度下k=1.512m/kmol·h；其它數據如下：CA0?0.99kmol/m；CR0?0.01kmol/m；

v0?10m3/h；要求反應的轉化率xA?0.99。試求：1）在全混流反應器中反應所需的容積；

2）在平推流反應器中反應所需的容積。

a?CR00.01??0.0101CA00.99

解：令

CA?CA0(1?xA)CR?CR0?CA0xA?CA0(a?xA)

2?r?kCAA0(1?xA)(a?xA)∴

1）全混流反應器所需的容積

V?v0xA10?0.99??661(m3)kCA0(1?xA)(a?xA)1.512?0.99(1?0.99)(0.0101?0.99)

2）平推流反應器所需的容積V?v0kCA0?xA0vdxA?0(1?xA)(a?xA)kCA0?xA01?11????dxAa?1?1?xAa?xA?

V??v01a?xA?10?ln100?ln1.0001??ln?ln??kCA0(a?1)?1?xAa?1.512?0.99?1.0101

V?60.8(m3)57.(A)(P)(S)

k3?C6H4Cl2k1?C6H5Cl?C6H6???

dCAdCP?k1CA?k1CA?k2CPdt反應速度；dt，在恒溫恒容下求(a)平推流(b)全混流,求

?SP，其中k1?1.0(h?1),k2?0.5(h?1),Vv0???1(h),CP0?CS0?0,CA0?1mol/l。

解:(a)

CA?CA0exp[?k1?]?0.368mol/l

CP?k1CA01k1?k2(e?k2??e?k1?)=1?0.5(e?0.5?e?1.0)=0.477mol/?

CS?CA0?(CA?CP)?1?(0.368?0.477)=0.155mol/l

?SP?CP0.477CS=0.155=3.08

(b)

?v0(CA0?CA)=K1CAV

?CA?CA0CA01?k1?=1?K1(K1?k1?)

v0CP?V(k1CA?k2CP)

k1CA0?k1CA?CP?1?k2?=?1?k1???1?k2??∴

CA=0.5mol/lCP=0.333mol/lCS=0.167mol/lSP?CPCS=2.0

58.(A)(P)(S)

k3?C6H4Cl2k1?C6H5Cl?C6H6???

dCAdCP?k1CA?k1CA?k2CPdt反應速度；dt，在恒溫恒容下求等容積的兩釜串聯(lián)全混

?流反應器內進行這一反應時,求目的產物P的選擇性SP，其中

?1k1?1.0(h?1),k2?0.5(h),Vv0???1(h),CP0?CS0?0,CA0?1mol/l。

解：等容積釜串聯(lián)應有???1??2?1??2?1/2??0.5h

對其次個全混流反應器作物料衡算

V0(CA1?CA2)?k1CA2V2

CA2?∴對于P:

CA0CA11?k1?2=(1?K1)2K1?k1?1?k1?2?0.5

V0(CA1?CA2)?V2(k1CA2?k2CP2)

CP2?∴

K1CA0K1CA0(1?K1)2(1?K2)+(1?K1)(1?K2)2K2?k2?2?0.25

CA2?1(1?0.5)2=0.444mol/l

CP2?

∴

0.50.5(1?0.5)2(1?0.25)+(1?0.5)(1?0.25)2

CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/l

CP20.391CS2=0.165=2.37

59.醋酸甲酯的水解反應如下：CH3COOCH3+H2O→CH3COOH+CH3OH，產物CH3COOH在反應中起催化劑的作用，已知反應速度與醋酸甲酯和醋酸的濃度積成正比。

3

（1）在間歇反應器中進行上述反應。醋酸甲酯和醋酸的初始濃度分別為500和50mol/m。

試驗測得當反應時間為5400s時，醋酸甲酯的轉化率為70%，求反應速率數和最大反應速度。（5分）（2）假使反應改在連續(xù)攪拌釜中進行，?A=0.8時停留時間應為多少。（3）假使采用管式滾動反應器，?A=0.8時停留時間。解：A+B→C+D（1）??A=??rA?kCACC

d?CC0dCA2?CA0A?kCA0(1??A)(CC0?CA0?A)?kCA(1??)(??)0AAdtdtCA0

kCA0dt?d?A(1??A)(?A?CC0)CA0

kCA0t?1C1?C0CA0CC0???A?CA0ln??CC0?CC0?A?CCA0?A0??????

10.7?0.1k?ln?1.106?10?6m3/mol?s500?5400(1?0.1)0.1?0.1?0.7

??rA?1.106?10?6?5002(1??A)(?A?對?A求導

CC02)?0.2765(??A?0.9?A?1)CA0

d(?rA)?0.2765(?2?A?0.9)?0?A?0.45d?A(?rA)max?8.364?10?2mol/m3?s

（2）??CA0?CACA0?ACA0?A???8.037?103s2?rA?rAkCA0(1??A)(?A?CC0/CA0)（3）對于PFR??CA0??A0?Ad?Ad?A?CA0?20?rAkCA0(1??A)(?A?CC0/CA0)?

?A??1113???d??6.258?10sA???0kCA0(1?CC0/CA0)?1??A?A?CC0/CA0?

60.在一定的反應溫度下A發(fā)生下述平行反應：

3K1A???R?1?2.0CA(kmol/m?h)

K22A???S

2?2?0.2CA(kmol/m3?h)

3

其中R是主產物，S是副產物。反應原料為純的反應物A，其初始濃度為10kmol/m。

在反應器出口A的轉化率為80%。反應在連續(xù)攪拌釜中進行時，A轉化為R的選擇性、R的收率以及反應物的停留時間。解：1）使用連續(xù)攪拌釜

∵?rA?r1?2r2∴

CA0?CA??(?rA)??(r1?2r2)

CR?CR0??r1

CR2CA1??2CA0?CA2CA?0.4CA1?0.2CA

CR?∴

CA0?CACA0?A?1?0.2CA1?0.2(CA0?CA0?A)

3??0.8C?5.71kmol/mAR當時，有

2(CA0?CA)0.2CA3CS??1.15kmol/m22CA?0.4CA

SR?

CR5.71??4.965CS1.15CRCR5.71???0.714CA0?CACA0?A10?0.8

?R?

V恒定，停留時間與空時相等

??

K1CR?CR05.71??1.43hr12?2

P(主)2rs?k2CA?rA?(k1?k2CA)CA；rP?k1CA；A61.已知的反應速率式分別為：，

且在反應的操作溫度下k1=1.0，k2/k1?1.5；CA0?5mol/l，CP0?CS0?0，要求反應流體的進料速率為

K2S(副)v0?5m3/h，出口轉化率xA?0.9。試求用單一的全混流反應器在等溫下進

行此反應時所能獲得的產物P的濃度CP以及所需的反應容積V。

(?P)m?rPk1CA?2?rAk1CA?k2CA

解：

(?P)m?CP?CPCA0?CA

(CA0?CA)k11?(5?0.5)??2.57(mol/l)(k1?k2CA)1?1.5?0.5

2v0(CA0?CA)?V(?rA)?V(k1CA?k2CA)

V?v0(CA0?CA)5?4.5??25.7(m3)22k1CA?k2CA0.5?1.5?0.5

62.環(huán)氧乙烷在450℃的氣相分解反應如下：C2H4O（g）→CH4（g）+CO（g）已知在此反應

-1

溫度下反應的速率常數為0.0212min，反應在恒溫恒容反應器中完成，初始時原料為純的

5

環(huán)氧乙烷，初始壓力為2.026×10Pa，試求在反應時間為50min時反應器的總壓力。

-1

解：由k=0.0212min可知該反應為一級反應

PA?exp??kt?PA0

t時反應物分壓為PAC2H4O（g）→CH4（g）+CO（g）PA000PAPA0-PAPA0-PA

總壓

Pt?PA?2(PA0?PA)

2PA0?PtPt?exp(?kt)?2?exp(?kt)PA0∴即PA0

當t=50min時

Pt?PA0[2?exp(?kt)]?3.35?105Pa

63.醋酸在高溫下可分解為乙烯酮和水，而副反應生成甲烷和二氧化碳：

k1k2CH3COOH???CH2?CO?H2OCH3COOH???CH4?CO2

?1?1k?4.65s,k?3.74s12已知在916℃時，試計算：

1）99%的醋酸反應掉的時間；

2）在此反應條件下醋酸轉化成乙烯酮的選擇性。

解：設在時間t時乙烯酮和甲烷的濃度分別為x和y，初始為

CA0，則

dx?k1(CA0?x?y)dtdy?k2(CA0?x?y)dt

d(x?y)?(k1?k2)(CA0?x?y)dt相加得

d(x?y)?(k1?k2)dt將其積分CA0?(x?y)

ln

CA0?(k1?k2)tCA0?(x?y)

1）當轉化率為99%時

x?y?0.99CA0

t?11ln?0.549s4.65?3.741?0.99

xk14.65??3.742）yk2x?0.549CA0y?0.441CA0

S?0.549CA0?55.4%0.441CA0

64.在1000K于恒溫恒壓反應器中進行下述分解反應：

RCH2OH(g)?RCHO(g)?H2(g)

反應速率常數0.082l/mol·min，初始時含純的RCH2OH，其初始壓力為2.026×10Pa，求5

1）將20%的RCH2OH分解所需時間；2）RCH2OH的濃度降低20%所需的時間。

解：RCH2OH(g)?RCHO(g)?H2(g)ABCt=0nA000t=tnA0-xxx

n總?nA0?x

由k可知該反應為二級反應

dx?kC2n2A

VdtA?kV2V?n總RT理想氣體

P

dxk(nA0?x)2dt?(nA0?x)RT/P

(nA0?x)dxkPdt∴(n)2?A0?xRT??nA0?(nA0?x)2?x?(nA0?x)2?dx???tkPdt將其積分

?x00RTt?RT?2xx?kP??ln(1?)?n?A0?xnA0?xn?20%當A0，帶入得t=138min

nA0V?0.8CnA0?x?0.8nA0對于A0，應有(nA0?x)RT/PnA0RT/Px?nA0當

9，帶入得t=66.1min

①分

65.等溫間歇反應器反應時間與反應物濃度的關系在間歇反應器中進行等溫二級反應

2A?B,?rA?0.01CAmol/(l?s)當CA0為1mol/l時，求反應至CA?0.01mol/l所需時

間。

解:

rA??dCA2?0.01CAdt

1111???0.01t?CACA00.011

t=9900s66.對于aA+bB→cC反應，以濃度何？

Ci,Pi表示速率式中常數kC,kP,則其二者關系如

V?解：理想氣體

n總RTP?kC(PAaPBb)()(a?b)abPAPBRTRT?kC(RT)ab?r?kCCBACA

ab?r?kPPBAPA

?(a?b)k(RT)?kPC

P(主)2C?2.0mol/l，r?Cr?2CSAPA67.平行反應，其中，，已知A0AS(副)CP0?CA0?0，求在平推流反應器中的CP,max？

?P?解：

rPdCP2???rA2?CA?dCA

2dCACA02?CA

CA對上式進行積分得

CP???當CA?0時，產物P的濃度最大

∴

CP,max??202dCA?2ln2?1.386mol/l2?CA

K168.一級連串反應A