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=0.02 kmol·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 11 A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=5.708×107 exp(?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0.3 kmol·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=23pA2 mol·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A 30%（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=0.27cA mol·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1 kmol·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