2021年版化学反应综合项目工程二三章答案

第二章1.动力学方程试验测定时，有采取循环反应器，为何?答：循环反应器行为和全混流反应器相同，能够得到反应速率点数据，而且反应器进出口浓度差比较大，对分析精度要求不很高。2.为何可逆吸热反应宜选平推流反应器且在高温下操作，而可逆放热反应却不是?依据可逆放热反应特点，试问选择何种类型反应器适宜?为何?答：可逆吸热反应反应速率和化学平衡全部随温度升高而升高，高温下操作对二者全部有利。可逆放热反应化学平衡随温度升高向反应物方向移动，对达成高转化率不利。对这类反应，可选择多段绝热反应器或换热条件很好管式反应器。3.一级反应A→P，在一体积为VP平推流反应器中进行，已知进料温度为150℃，活化能为84kJ·mol-1，如改用全混流反应器，其所需体积设为Vm，则Vm/Vp应有何关系?当转化率为0.6时，假如使Vm=Vp，反应温度应怎样改变?如反应级数分别为n=2，1/2，−1时，全混流反应器体积将怎样改变？解：4.在体积VR=0.12m3全混流反应器中，进行反应，式中k1=7m3kmol-1min-1，k2=3m3kmol-1min-1，两种物料以等体积加入反应器中，一个含2.8kmolA·m-3，另一个含1.6kmolA·m-3。设系统密度不变，当B转化率为75％时，求每种物料流量。解5.可逆一级液相反应，已知；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min后，A转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应动力学方程式。解6.平行液相反应A→PrP=1A→RrR=2cAA→SrS=cA2已知cA0=2kmol·m-3，cAf=0.2kmol·m-3，求下列反应器中，cP最大为多少?(1)平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)两相同体积全混流反应器串联，cA1=1kmol·m-3。解7.自催化反应A+P→2P速率方程为：−rA=kcAcP，k=lm3kmol-1min-1，原料组成为含A13%，含P1%（摩尔百分数），且cA0+cP0=lkmol·m-3，出口流中cP=0.9kmol·m-3，计算采取下列多种反应器时空间时间(τ=VR/V0)。(1)平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)平推流和全混流反应器最好组合；(4)全混流反应器和一分离器最好组合。解8.在两个串联全混流反应器中进行一级反应，进出口条件一定时，试证实当反应器大小相同时，两个反应器总容积最小。证9.半衰期为20小时放射性流体以0.1m3hr-1流量经过两个串联40m3全混流反应器后，其放射性衰减了多少？解10.A进行平行分解反应，其速率式为↗RrR=1kmol·m-3min-1A→SrS=2cAkmol·m-3min-1↘TrT=cAkmol·m-3min-1其中R是所要求目标产物，cA0=1kmol·m-3。试问在下述反应器进行等温操作时，估计最大cR为多少?(1)全混流反应器；(2)平推流反应器。解低浓度操作对生成目标产物R有利，对全混流反应器，可在极低浓度下操作对平推流反应器，则尽可能使其转化率提升。11.在0℃时纯气相组分A在一恒容间歇反应器依以下计量方程反应：A→2.5P，试验测得以下数据：时间/s02468101214∞pA/MPa0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.0280.020求此反应动力学方程式。解当t→∞时，pAe=0.2故为可逆反应，设此反应为一级可逆反应，则以(-ln(pA-pAe))对t作图t02468101214pA0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.028PA-pAe0.080.060.04250.0310.0220.0160.0120.008-ln(pA-pAe)2.5262.8133.1583.4743.8174.1354.4234.82812.气相反应A+B=R动力学方程为(−rA)=k(pApB−pR/KP)，式中请确定最好反应温度和转化率之间关系。解13.某液相一级不可逆反应在体积为VR全混釜中进行，假如将出口物料二分之一进行循环，新鲜物料对应也降低二分之一，产品物料转化率和产物生成速率有什么改变？解全混流循环时出口物料二分之一和等量xA=0物料混合，xA0=0.5xAf。和简单地把处理量减半等效。14.有一自催化反应A→R，动力学方程为−rA=0.001cAcRkmol·m-3s-1。要求反应在4个0.1m3全混流反应器中进行，反应物初始浓度cA0=10kmol·m-3，cR0=0，处理量为5.4m3hr-1。怎样排列这4个反应器（串联、并联、或串并联结合）才能取得最大最终转化率？最大转化率是多少？解15.一级不可逆连串反应，k1=0.25hr-1，k2=0.05hr-1，进料流率V0为1m3hr-1，cA0=1kmol·m-3，cB0=cC0=0。试求：采取两个VR=1m3全混流反应器串联时，反应器出口产物B浓度。解16.某气相基元反应：A+2B→P已知初始浓度之比cA0:cB0=1:3，求关系式。解17.已知常压气相反应动力学方程为，试用下列三种方法表示动力学方程：(1)组分分压；(2)组分摩尔分率；(3)组分初始浓度和A转化率。解18.高温下二氧化氮分解为二级不可逆反应。在平推流反应器中101.3kPa下627.2K时等温分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1，处理气量为120m3hr-1（状态），使NO2分解70%。当(1)不考虑体积改变；(2)考虑体积改变时，求反应器体积。解(1)恒容过程(2)变容过程19.均相气相反应A→3P，服从二级反应动力学。在0.5MPa、350℃和V0=4m3hr-1下，采取—个25mm内径，长2m试验反应器，能取得60％转化率。设计一个工业平推流反应器，当处理量为320m3hr-1，进料中含50%A，50%惰性物料时，在2.5MPa和350℃下反应，为取得80%转化率．求需用25mm内径，长2m管子多少根?这些管子应并联还是串联？解(1)求速率常数k(2)求反应器体积和管数管子串并联要从流体阻力和流型考虑，在保持平推流前提下尽可能并联。20.有一气相分解反应，其化学反应式为A→R+S，反应速率方程为−rA=kcA2，反应温度为500℃。这时测得反应速率常数为k=0.25m3kmol-1s-1。反应在内径为25mm、长为1m管式反应器中进行，器内压强维持在101.3kPa（绝），进料中仅含组分A，当其转化率为20%，空间速度为45hr-1（反应条件下计算值）。试求反应条件下平均停留时间和空间时间。解第三章习题1．有一有效容积VR=1m3，送入液体流量为1.8m3hr-1反应器，现用脉冲示踪法测得其出口液体中示踪剂质量浓度改变关系为：t/min01020304050607080c/kg·m-3036543210求其停留时间分布规律，即F(t)，E(t)，，解示踪法求停留时间分布规律t/minc/kg·m-3∑cF(t)E(t)t·ct2c000000010330.1250.01253030020690.37500.02501202400305140.58330.02081504500404180.750.01671606400503210.8750.01251507500602230.95830.00831207200701241.00.0042704900800241.0000∑2480332002．对某一反应器用阶跃法测得出口处不一样时间示踪剂质量浓度改变关系为：t/min0246810121416c/kg·m-300.050.110.20.310.430.480.500.50求其停留时间分布规律，即F(t)，E(t)，，解:阶跃法求停留时间分布规律c0=0.5kgm-3t/minc/kg·m-3∑cF(t)E(t)000000020.050.050.10.050.20.440.110.160.220.060.481.9260.20.360.40.091.086.4880.310.670.620.111.7614.08100.431.10.860.122.424120.481.580.960.051.214.4140.52.081.00.020.567.84160.52.581.0000∑7.6869.123．请将习题一中停留时间分布规律用对比时间θ作变量，求F(θ)，E(θ)，，。解t/min01020304050607080cA/kg·m-303654321000.41660.8330.6940.55560.41660.27660.139000.06250.250.47920.66670.81250.91670.97921.04．应用习题一反应器，进行A+B→D反应，已知cA0=cB0=20mol·m-3，动力学方程为−rA=0.005cAcBmol·m-3min-1，请用凝集流模型计算反应器出口物料中A组分转化率，并求cA，cB，cD值。本题若用PFR及CSTR模型计算时，物料出口中A组分转化率是多少?解1凝集流模型：时间t/minc/kg·m-3F(t)0000001030.1250.50.1250.06252060.3750.6670.250.166753050.58330.750.20830.1562254040.750.80.16670.133365030.8750.8330.1250.1041256020.95830.8570.08330.07138817011.00.8750.04170.03648758001.00.88900∑240.73083562PFR模型计算时：③CSTR模型计算5．在习题一反应器中进行A→D反应，已知cA0=25mol·m-3，动力学方程为−rA=0.05cAmol·m-3min-1，请分别用：(1)凝集流模型；(2)多级混合槽模型；(3)平推流模型；(4)全混流模型。计算出口物料中A组分转化率。解（1）凝集流模型t/minc/kg·m-3∑cF(t)0000010330.1250.11890.0758220690.3750.22620.09197305140.58330.17930.04649404180.750.13650.02256503210.8750.09740.01026602230.95830.06170.00415701241.00.02940.00126800241.00∑240.2525(2)多级混合槽模型：(3)PFR模型：(4)CSTR模型：6．用习题5条件，采取轴向扩散模型，计算其Pe值和出口物料中A组分转化率。解7．设E(θ)、F(θ)分别为某流动反应器停留时间分布密度函数和停留时间分布函数，θ为对比时间。(1)若反应器为PFR，试求：(a)F(1)，(b)E(1)，(c)F(0.8)，(d)E(0.8)，(e)E(1.2)(2)若反应器为CSTR，试求：(a)F(1)，(b)E(1)，(c)F(0.8)，(d)E(0.8)，(e)E(1.2)(3)若反应器为一非理想流动反应器，试求(a)F(∞)，(b)F(0)，(c)E(∞)，(d)，(e)解(1)对PFR，F(1)=1，E(1)=∞，F(0.8)=0，E(0.8)=0，E(1.2)=0(2)(3)8．液体以1m3hr-1流量经过1m3反应器。定常态时用惰性示踪物以恒定流量2×10-4mol·hr-1送入反应器（能够忽略示踪物流对流动影响）。若反应器分别为PFR或CSTR，求示踪物料加入后1.2hr时，反应器出口物流中示踪物浓度为多少？解入口浓度对PFR，对CSTR，9．请推导层流流动系统物料停留时间分布密度函数和停留时间分布函数。解