化学反应工程第一章习题答案.docx

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化学反应工程第一章习题答案

第一章习题

1化学反应式与化学计量方程有何异同?

化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?

答：

化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。

2何谓基元反应?

基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?

何谓非基元反应?

非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?

答：

如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。

基元反应符合质量作用定律。

基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。

基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。

一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。

非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。

非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。

3若将反应速率写成

，有什么条件?

答：

化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。

4为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器?

答：

在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。

5现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。

（1）A+2B↔C

A+C↔D

（2）A+2B↔C

B+C↔D

C+D→E

（3）2A+2B↔C

A+C↔D

解

（1）

（2）

（3）

6气相基元反应A+2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc=2.65×104m6kmol-2s-1。

现以气相分压来表示速率方程，即（−rA）=kPpApB2，求kP=?

（假定气体为理想气体）

解

7有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80％，经过18min后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。

解

8反应A（g）+B（l）→C（l）气相反应物A被B的水溶液吸收，吸收后A与B生成C。

反应动力学方程为：

−rA=kcAcB。

由于反应物B在水中的浓度远大于A，在反应过程中可视为不变，而反应物A溶解于水的速率极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。

试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成量。

已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA饱和=0.02kmol·m-3，水溶液流量为10m3hr-1。

解

9反应

，在恒容下用等摩尔H2，NO进行实验，测得以下数据

总压/MPa

0.0272

0.0326

0.0381

0.0435

0.0543

半衰期/s

265

186

135

104

67

求此反应的级数。

解

Y=A+B*X

Parameter

Value

Error

A

1.60217

0.01399

B

-1.9946

0.00834

10考虑反应

，其动力学方程为

试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。

解

11A和B在水溶液中进行反应，在25℃下测得下列数据，试确定该反应反应级数和反应速度常数。

时间/s

116.8

319.8

490.2

913.8

1188

∞

cA/kmol·m-3

99.0

90.6

83.0

70.6

65.3

42.4

cB/kmol·m-3

56.6

48.2

40.6

28.2

22.9

0

解

由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B→产物进行

设为二级反应

积分得：

以

对t作图若为直线，则假设正确。

由cA0-cB0=42.4整理得数据如下：

t

116.8

319.8

490.2

913.8

1188

0.0132

0.0149

0.0169

0.0216

0.0247

线性回归：

Y=A+B*X

Parameter

Value

Error

A

0.01166

1.84643E-4

B

1.08978E-5

2.55927E-7

12丁烷在700℃，总压为0.3MPa的条件下热分解反应：

C4H10→2C2H4+H2

（A）（R）（S）

起始时丁烷为116kg，当转化率为50%时

，求此时

。

解

13某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmol·m-3时，反应到某一浓度需要285s，初始浓度为1kmol·m-3时，反应到同一浓度需要283s，那么，从初始浓度为5kmol·m-3反应到1kmol·m-3需要多长时间？

解

t=285-283=2s

反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。

反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。

14在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：

反应物配比为：

A（mol）:

B（mol）=1:

4.97，反应在100℃下进行。

A转化率达50％需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。

混合物密度为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。

解

15反应（CH3CO）2O+H2O→2CH3COOH在间歇反应器中15℃下进行。

已知一次加入反应物料50kg，其中（CH3CO）2O的浓度为216mol·m-3，物料密度为1050kg·m-3。

反应为拟一级反应，速率常数为k=5.708×107exp（−E/RT）min-1，E=49.82kJ·mol-1。

求xA=0.8时，在等温操作下的反应时间。

解

16在100℃下，纯A在恒容间歇反应器中发生下列气相反应:

2A→R+S

A组分分压与时间关系见下表:

t/sec

0

20

40

60

80

100

120

140

160

pA/MPa

0.1

0.096

0.080

0.056

0.032

0.018

0.008

0.004

0.002

试求在100℃，0.1MPa下，进口物流中包含20%惰性物，A组份流量为100mol·hr-1，达到95%转化率所需的平推流反应器的体积。

解

17间歇操作的液相反应A→R，反应速率测定结果列于下表。

欲使反应物浓度由cA0=1.3kmol·m-3降到0.3kmol·m-3需多少时间?

cA/kmol·m-3

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.3

2.0

（−rA）/kmol·m-3min-1

0.1

0.3

0.5

0.6

0.5

0.25

0.10

0.06

0.05

0.045

0.042

解

图解积分

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1.0

1.3

2.0

10

3.33

2.0

1.67

2.0

4.0

10

16.7

20.0

22.2

23.8

18一气相分解反应在常压间歇反应器中进行，在400K和500K温度下，其反应速率均可表达为−rA=23pA2mol·m-3s-1，式中pA的单位为kPa。

求该反应的活化能。

解

19有如下化学反应

CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4

（I）（A）（B）（P）（I）

在反应前各组分的摩尔数分别为nI0=1mol；nA0=2mol；nB0=3mol；nP0=0，求化学膨胀率（用两种方法）。

解

方法一

方法二

20在555K及0.3MPa下，在平推流管式反应器中进行气相反应A→P，已知进料中含A30%（摩尔分数），其余为惰性物料，加料流量为6.3mol·s-1，动力学方程式为−rA=0.27cAmol·m-3s-1为了达到95％转化率，试求：

（1）所需空速为多少?

（2）反应器容积大小?

解

21液相一级不可逆分解反应A→B+C于常温下在一个2m3全混流反应器（CSTR，MFR，连续搅拌槽式反应器）中等温进行。

进口反应物浓度为1kmol·m-3，体积流量为1m3hr-1，出口转化率为80%。

因后续工段设备故障，出口物流中断。

操作人员为此紧急停止反应器进料。

半小时后故障排除，生产恢复。

试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少？

解

22第17题中的反应，

（1）当cA0=1.2kmol·m-3，进料速率1kmolA·hr-1，转化率为75％；

（2）cA0=1.3kmol·m-3，进料速率2kmolA·hr-1，出口为0.3kmol·m-3；（3）cA0=2.4kmol·m-3，出口仍然为0.3kmol·m-3，进料速率为1kmolA·hr-1。

计算三种情况下，用全混流反应器的体积各为多少?

解

23反应A+B→R+S，已知VR=0.001m3，物料进料速率V0=0.5×10-3m3min-1，cA0=cB0=5mol·m3，动力学方程式为−rA=kcAcB，其中k=100m3kmol-1min-1。

求：

（1）反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少？

（2）欲用全混流反应器得到相同的出口转化率，反应器体积应多大?

（3）若全混流反应器体积VR=0.001m3，可达到的转化率为多少?

已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA饱和=0.02kmol·m-3，水溶液流量为10m3hr-1。

解

平推流

（1）全混流

（2）

24在全混流反应器中进行如下等温液相反应：

2A→B＋C

rc=k1cA2

A＋B→2D

rD=2k2cAcB

A的初始浓度为2.5kmol·m-3，A和C的出口浓度分别为0.45和0.75kmol·m-3。

假设进口物流中不含B、C、D，反应时间为1250sec，求：

1.出口物流中B和D的浓度；

2.k1和k2。

解