化学反应工程习题

化学反应工程习题

第一部分：均相反应器基本理论

1、试分别写出N2+3H2=2NH3中用N2、H2、NH3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。 2、已知某化学计量式为

110.5A?B?R?S的反应，其反应速率表达式为rA?2CACB，22试求反应速率rB=？；若反应的化学计量式写成A?2B?2R?S，则此时反应速率rA=？为什么？

dPA2?3.61?10?2PA kPa/h，问反应d?1dnA2?kCA速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为rA??? mol/l.h，该反

Vd?应速率常数k的数值、单位如何？

o

4、在973K和294.3×103Pa恒压下发生下列反应：C4H10?2C2H4+H2 。反应开始时，系统中含丁烷为116kg，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa/s的速率发生变化，

3、某气相反应在400 K时的反应速率方程式为?o

试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。 5、某溶液反应：A+B?C，开始时A与B摩尔数相等，没有C，1小时后A的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A尚有百分之几未反应掉？ （1）对A为一级、B为零级反应； （2）对A、B皆为一级反应； （3）对A、B皆为零级反应。

6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S

已知原料组成为CA0 = 2 kmol/m3，CB0 = 4 kmol/m3，CR0 = CS0 = 0。反应混合物体积的变化忽略不计。反应一段时间后测得CA = 0 .3 kmol/m3，CR = 1.5 kmol/m3。计算这时B和S的浓度，并确定A 的转化率、生成R的选择性和收率。

7、一级可逆反应A = R在等温下进行。已知CA0 = 500mol/m3，CR0 = 0。若该反应在一间歇反应器中进行，且在反应温度下xAe?0.667。经480 s后测得xA?0.333。（1）试确定此反应的动力学方程；（2）计算xA分别达到0.6和0.65所需的反应时间；（3）比较计算结果，你有什么体会？

1

8、反应 H2 +C2H4 =C2H6 ，开始时各组分的含量为：2 mol H2、4 mol C2H4、2 mol 惰气，当H2的转化率为50%时，试计算该物系的总 mol 数。

9、在BR中，以硫酸为催化剂使过氧化氢异丙苯分解成苯酚、丙酮。该反应为一级反应，反应速度常数k为0.08s-1，若每小时处理过氧化氢异丙苯3m3，求转化率达98.8%时所需反应釜的实际体积为多少？每批操作非生产时间为3544.8s，装料系数?为0.65(因反应过程起泡沫)。

10、反应物质A，按二级反应动力学方程式等温分解，在理想间歇釜式反应器中5min后转化率为50%，试问在该反应器中转化75%的A物质，需要增加多少分钟？

11、在理想置换管式反应器内进行一个一级不可逆等温反应。反应器的有效体积为2 m3，原料以0.4 m3/ h的流量进入反应器，测得出口处转化率为60%；若改变原料流量为0.2 m3/ h，其它条件不变，出口处转化率应为多少？

12、在管式反应器中进行一裂解反应A=R+S，实验测得该反应为一级不可逆反应，其动力学方程式为rA?kPPA(mol/m.s)，若反应在P=101.3?10Pa，T=546K的条件下进行，反

3

3应速度常数kP=7.75?10mol/m.s.Pa，试计算：

-6

3（1） 处理量为432m3/day的原料气要求转化率达82.6%时，所需反应器的VR？ （2） 若反应器的反应管内径为100mm，则管长为多少？ 13、在实验室内用一个间歇搅拌的烧瓶进行一级不可逆反应，反应2h后，转化率达到99.9%。若改用连续化生产，并将反应器放大，选用一个CSTR进行此反应，其它工艺条件不变，平均停留时间为2h，且保持原来的反应速度常数值，试计算该反应的最终转化率。 14、在一容积为120l的连续搅拌釜式反应器中进行如下液相反应：

k??R?S k?0.25l/mol.min rA?kCACB A?B?含A为2.8mol/l的进料流与含B为1.6mol/l的进料流分别以相同的流率同时加入反应器

中，若反应过程中物料的容积不发生变化，试求出口流中B的转化率为75%时，两股进料流的流量各是多少？

15、用醋酸酐水解制醋酸是在一多段串联搅拌釜内进行的，已知醋酸酐进料为0.946m3/h，开

-1

始时没有醋酸存在，各釜反应均在150℃下进行，此时反应速率常数k=0.0806min，转化率达到90%，求：

（1）若为单釜操作时，所需反应器有效容积为多少？

（2）若为多釜串联操作时，已知各釜反应器容积为单釜操作时有效容积的1/10，则需几个这样的反应器串联操作？

16、在两釜串联的反应器中，进行一液相反应，A+B=R+S，若动力学方程式为rA?kCA（当CA=CB时），已知k=1 m3/kmol.s，CA0=CB0=1 kmol/ m3，物料经过两釜总的平均停留时间为1s，试求该反应经过两釜串联反应后的转化率为多少？（分别采用解析法、图解法计算。提示：两釜的停留时间相同即均为0.5s）

2

217、有一液相反应为A+B = R+S，已知进料液量V0=0.5l/min，在该温度下的反应速度常数k=100l/mol.min，原料初始浓度CA0=0.05mol/l，试求：

（1） 若反应在PFR中进行，有效容积VR=1l时，反应所能达到的转化率？ （2） 若反应在CSTR单釜中进行，要求的转化率不变如（1），所需反应器的有效容积为多

少？

（3） 若反应仍在CSTR单釜中进行，而VR仍为1l，则反应所能达到的转化率为多少？

218、有一等温二级不可逆液相反应，其动力学方程式为rA?kCA，已知293K时反应速度常

数k为10 m3/kmol.h，反应物A的初始浓度CA0为0.2 kmol/m3，加料速率V0为2 m3/h，试比较下列理想反应器组合方案的出口转化率。 1)、两个有效体积均为2 m3的PFR反应器串联；

2)、一个PFR反应器后串联一个CSTR反应器，二者有效体积均为2 m3； 3)、一个CSTR反应器后串联一个PFR反应器，二者有效体积均为2 m3； 4)、两个有效体积均为2 m3的CSTR反应器串联。

-19、有一级不可逆反应A?R，在85℃时反应速度常数为3.45h1，今拟在一个容积为10m3的釜式反应器中进行，若最终转化率xAf?0.95，该反应器处理的物料量可达1.82m3/h。 （1） 今若改用两个容积相同的串联釜操作，求总的反应器体积为多大？

（2） 又若改用N个容积相同的串联釜，当N的数目足够大时，试证明所需的反应器总体

积趋近于平推流反应器在同样工艺条件下所需的反应器体积。

12??R???S，在两个串联的理想连续釜式反应器中进20、有一等温一级连串反应A?kk行。每个釜的有效体积为2l，加料速度为1l/min，反应物A的初始浓度CA0=2mol/l，

两个釜在同一温度下操作。k1=0.5min-1，k2=0.25min-1，试求第一釜及第二釜出口物料浓度CA、CR、CS。（过程可视为等温等容） 21、若非基元复合反应：

1??R r1?k1CA1CB A?B?ka2??S r2?k2CA2CB A?B?ka其中a1?a2。若目的产物为R，试讨论有利于选择性和收率的温度和浓度条件。 22、在理想连续操作釜式反应器内进行某一级可逆反应：A = R，在操作条件下测得反应速

度常数k1为10 h-1，k2为2h-1，在反应物料A中不含有R，其进料量为10 m3/ h，当反应的转化率达到50%时，平均停留时间及反应器的有效体积各是多少？

??3P，其动力学方程式为rA??23、考虑反应A?压P表示的动力学方程式。

kn1dnA?kA，试推导在恒容下以总

VdtV3

1．试证：（1）?s?(dv2) da （2）?s?ds dvVp23 （3）?s?4.84Ap

2．求下列颗粒的dv、da、ds、?s及床层的de与Se

（1）直径d=5mm的圆球、ε=0.4;

（2）直径d=5mm、高h=10mm的圆柱体、ε=0.4; （3）直径d=h=5mm的圆柱体、ε=0.4。

3．某厂乙苯脱氢固定床反应器采用铁系催化剂，制成直径d=4mm、高h=10mm的圆柱体。试计算dv、da、ds及?s。

4．某轴向催化反应器，通气截面积为0.362m2，催化剂床层高度L=8.32m，床层内平均操作状态下反应混合物密度?=53.7kg/m，粘度μ=3.18?10kg/m.s，进料气体量M=10.44kg/s,使用粒径为0.0047—0.0067m的颗粒催化剂，形状系数（1）计算床层压降；（2）若改用粒径为0.0033?s=0.33，床层空隙率ε=0.38。

—0.0047m的颗粒催化剂，?s、ε不变，操作条件不变，求床层压降；（3）若改用径向反应器，催化剂装载量不变，床层内圈直径Din=0.216m，外圈直径

Dout=0.72m，床高仍为L=8.32m。使用粒径为0.0033—0.0047m的颗粒催化剂，其它条件与轴向反应器相同，计算径向反应器床层压降。 5．年产量为5000吨的由乙苯脱氢生产苯乙烯的装置是一列管式固定床催化反应器，其反应式为：

C8H10→C8H8+H2 C8H10→C7H8+CH4

已知：年生产时数为8300h，原料气体是乙苯与水蒸气的混合物，其重量比为1：1.5，乙苯的总转化率为40%，苯乙烯的选择性为96%，空速为SV=43.8[m3(乙苯、水气)/ m3.cat.h]，催化剂堆积密度为1.52T/m3，试求床层催化剂的重量。

3

-5

4

??3P，其动力学方程式为rA??1、考虑反应A?kn1dnA?kA，试推导在恒容下以总

VdtV压P表示的动力学方程式。

解： A??k?3P t=0时 nA0 0

t=τ时 nA 3（nA0- nA）

P?PnA0RT0A0?V P?[nA?3(nA0?nA)]RTV 则： n?3nA0RT?PVA2RT

nA0RT?PV ? r1dnd(3AA??2RT)Vd???1Vd??1dP2RTd?

?k(3nA0RT?PV)2RTV?k2RT(3P0?P)

即： r1dPA?2RTd??k2RT(3P0?P) (mol/l.s) 或： r'dPA?d??k(3P0?P)

2、有如下平行反应：

A?B??k1?R （主反应） rR?k1CACBCR A?B??k2?S （副反应） rS?k2CACB （1） 若采用间歇操作，试选择合适的加料方式；

（2） 若采用连续操作，试选择用合适的反应器型式；

（3） 若主、副反应的活化能分别为30和20，反应温度宜高还是宜低？ 解： SP?rRr?k1CR Sk2（1） 若用间歇操作，应采用向事先含R的BR中同时加入A、B物料； （2） 若用连续操作，应选用CSTR，A、B同时连续加入； （3） ∵ E1 〉E2，∴反应温度宜高。（∵温度升高，有利于活化能高的反应）

5

（2）计算反应器所需容积V 每小时己二酸的进料量FA0为

FA0=

2400?0.685kg.molhr

24?146式中146为己二酸分子量，每小时己二酸的体积流量V0为

V0=

FA00.685??171lhr CA00.004故反应器的有效容积VR为

VR=V0（t + t 0）=171×（8.47+1）=1619 l=1.619m3 反应器所需容积V为

1.619?2.16m3 V?VR??0.75[例 2-2] 在平推流反应器中,用己二酸与己二醇生产醇酸树脂，操作条件和产量与例

2-1相同,试计算平推流反应器所需的体积。

[解] 已知：χA=0.8 ,k =1.97kmol.min

CA0=0.004kmol/l ,V0=171 l/hr 反应为二级反应,可得

??xkcA0Af(1?xAf)?0.81.97?0.004?(1?0.8)

?508min?8.47hr VR=V0τ=171×8.47=1450 l=1.45m3

[例 2-3] 在理想混合反应器中用己二酸与己二醇生产醇酸树脂，操作条件与例2-1相同，试计算理想混合反应器的容积和平均停留时间。

[解] 已知：χA=0.8 ,k =1.97kmol.min

CA0=0.004kmol/l ,V0=171 l/hr 由式（2-45）可得

VR= V0CA0因为是二级反应故 VR=

xA rAV0CA0xA171?0.8 ?222kCA0(1?xAf)1.97?60?0.004?(1?0.8)VR7234??42.3hr V017111

=7234 l=7.234m3 t?

[例 2-4] 在两釜串联反应器中，用己二酸和己二醇生产醇酸树脂。在第一釜中己二酸的转化率为60%，第二釜转化率达到80%。反应条件与产量和例2-1相同，试计算反应器的总体积。

[解] 由式（2-47）可得第一釜的容积VR1为

VR1?V0x1 2kCA0(1?x1)已知：V0=171 l/hr，CA0=0.004kmol/l , k =1.97kmol.min，χ1=0.6 将以上数值代入上式得

VR1?第二釜的容积VR2为

VR2?171?0.63?1360l?1.36m 21.97?60?0.004?(1?0.6)V0(x2?x1)171?(0.8?0.6) ?kCA0(1?x2)21.97?60?0.004?(1?0.8)3l?1.81m =1810故反应器的总体积为

VR = VR1+VR2 =1.36+1.81 = 3.17 m3

[例 2-5] 由例2-1所给的数据，用图解法确定用四釜串联反应器生产醇酸树脂所需反应器的总体积。

[解] 已知反应为二级反应，故rA?kCA?1.97?60CA?118.2CA CA kmol/l 222rA kmol/l.hr 0.004 1.89 0.0035 1.45 0.003 1.062 0.0025 0.737 0.002 0.472 0.0015 0.256 0.001 0.118 将不同的CA值代入上式，即可求 得相应的rA。结果见附表，将表 中数据绘成曲线OM（见附图）。 在图上定出出口浓度CA4

CA4= CA0（1-xA） = 0.004(1- 0.8) =0.0008 kmol/l

然后假设一斜率,从CA0开始作四 条斜率相等的直线,若所得的CA4 与要求相符,则所假设之斜率正确, 此时所得的CA1、CA2、CA3及CA4 分别为各釜的出口浓度，若CA4≠ 0.0008，则需重新设定斜率，直至

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符合为止。

经试差结果得：CA1=0.0022，CA2 =0.0014，CA3=0.001，CA4=0.0008，与要求的出口浓度正好相符。测量出直线的斜率（-1/t）=-0.315，可算得物 料在各级反应器中的平均停留时间t=3.18hr。故每级反应器的体积为

VRi=tV0=3.18×171=545l 反应器的总体积为

VR=4 VRi=4×545=2180l?2.18m

将例2-1至2-5计算所得结果列表2-8。

表2-8 不同型式反应器体积比 反应器总体积，m3 反应器相对体积 反应器型式 x=0.8 x=0.9 x=0.8 x=0.9 1.45 3.25 1 1 平推流 1.62 1.12 间歇反应器 2.18 1.51 四釜串联 3.17 2.18 二釜串联 7.23 32.5 4.99 10 理想混合反应器 [例2-6]

有一平行液相反应

k31?? A + B?R （主反应）

2?? A + B?S （副反应）

kR为目的产物，已知

dCR0.3?k1CACB dtdCS0.51.8?k2CACB rS?dt rR?试说明采用何种型式反应器及操作方法进行生产最为恰当？ [解] 将上列两式相除得

rRk1(?1??2)(?1??2)k10.5?1.5?CACB?CACB rSk2k2rR的比值大。即CA要大，CB要小。特别是rS由上式可知，欲使目的产物R收率大，应保持

CB的大小对R收率的大小更有影响，按照前面的讨论可采用：

（1）采用平推流反应器，以A作主流，B分成许多小股由反应器不同部位加入；

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（2）采用半连续操作，把A全部放入间歇釜，然后慢慢滴加B；

（3）采用理想混合反应器，在反应器内先加入大量A，然后A、B以等摩尔流量加入到反应器内，反应器流出物经分离器分出A，把分出的A再循环回反应器，这样可以保持反应器内高的CA，低的CB，有利于提高R的收率。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x0h6.html