化学反应工程设计作业

3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应CH3COOC2H5?NaOH?CH3CHCOONa?C2H5OH 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数为5.6L/（min·mol），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为1m3、2m3时，所需的反应时间是多少？ 解： A?B?C?D

rA?k?C 设A的转化率为xA，B的转化率为xB A?CBxA?nA0?nA??nAnB0?nB??nB?? xB? nA0nA0nB0nB0∵ nA0?nB0 ， ?nA??nB ， ∴ CA?CB

xAft=

CA0?0dxA=CraxAfA0?011dxAk=-2kCA0(1?xAf)CA0k?CA=169.6 min

t与反应体积无关。

∴1m3、所需反应时间均为169.6min

3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？ 解：对于平推流反应器： k??ln1vB

??

[键入文档标题] 反应工程课程设计

一．设计方案简介

1.1 硫酸的性质

硫酸是三氧化硫（SO3）和水（H2O）化合而成。化学上一般把一个分子的三氧化硫与一个分子的水相结合的物质称为无水硫酸。无水硫酸就是指100%的硫酸，又称纯硫酸。纯硫酸一般为无色透明的油状液体，分子量为98.08。硫酸分为发烟硫酸、浓硫酸和稀硫酸，硫酸中不含水而存在游离S03时成为发烟硫酸，当硫酸水溶液中硫酸质量百分数≥75%的硫酸叫做浓硫酸，而把硫酸质量百分数在75%以下的硫酸水溶液叫做稀硫酸【1】。

硫酸是强酸之一，具有酸的通性，但浓硫酸有其特殊的性质。具有相对密度大、沸点高、液面上水蒸气的平衡分压极低等物理特性和吸水性、脱水性和强氧化性等化学特性［2］。硫酸有很强的吸水性，能吸收气体中的水蒸气，也能吸收液体中的部分水分，从而使气体干燥，溶液发生相应的变化。浓硫酸的脱水性是指其能将部分物质中的氢、氧元素按原子个数比为2：1的比例夺取出来并生成水。质量分数为98.3%的浓硫酸其沸点为338℃,与其它常见的酸相比,沸点较高,是一种难挥发的强酸。硫酸无论是用水稀释还是与其它液体混合，都会放出大量的热。浓硫酸具有强氧化性，不仅能氧化活泼性位于氢以前的金属，而且能氧化部分非金

1、自催化反应A+P→2P的速率方程为：?rA=kcAcP，k=l mkmolmin，原料组成为含A

-3

-3

A0

P0

P

3-1-1

13%，含P 1%（摩尔百分数），且c+c= l kmol·m，出口流中c= 0.9 kmol·m，计算采用下列各种反应器时的空间时间(τ=V/V)。(1)平推流反应器；(2)全混流反应器；(3)平推流与

R

0

全混流反应器的最佳组合；(4)全混流反应器与一分离器的最佳组合。 2、A进行平行分解反应，其速率式为

↗R r=1 kmol·mmin

R

-3

-1

A →S r=2c kmol·mmin

S

A

-3-1

↘T r=c kmol·mmin

T

A

-3-1

其中R是所要求的目的产物，c=1kmol·m。试问在下述反应器进行等温操作时，预计最大

A0

-3

的c为多少?(1)全混流反应器；(2)平推流反应器。

R

3、均相气相反应A→3P，服从二级反应动力学。在0.5MPa、350℃和V0=4mhr下，采

3

-1

3-1

用—个25mm内径，长2m的实验反应器，能获得60％转化率。设计一个工业平推流反应器，当处理量为320mhr，进料中含50%A，50%惰性物料时，在2.5MPa和350℃下反应，为获得

【习题1-1】在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 2CH3OH＋O2—→2HCHO＋2H2O 2CH3OH＋2O2→2CO＋4H2O

进入反应器的原料中，甲醇：空气，水蒸气＝2：4：1.3(摩尔比)，反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。试计算 (1)反应的选择性； (2)反应器出口气体组成。

分析：按国内的定义式计算选择性、收率。自己设定进料流量。计算反应器出口处各组分的摩尔流量。 解：（1）反应的选择性

(2) 以进料中甲醇的摩尔流量为2mol/ h为基准，则进料中空气4mol/h，水蒸汽1.3mol/h 出口处 甲醇：2(1-0.72)＝0.56 mol/h 甲醛 2×0.692＝1.384 mol/h N2 4×0.79 ＝3.16 mol/h

O2 4×0.21－0.5×2×0.692－(0.72－0.692)×2＝0.092 mol/h H2O 1.3＋2×0.692＋4×(0.72－0.692)＝2.796 mol/h CO 2×(0.72－0.692)＝0.056 mol/h ∑ni＝8.048 mol/h ∴出口处气体组成为:

y甲醇＝6.96% y甲醛＝17.20% yH2O＝34.74% yO2

1、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）

T?273?30?303Kkc?2.65?104m6kmol?2s?1c?pRT22cABp?p??rA?kcc?kcA?B?RT?RT?2?rA?kppApB

kc2.65?104m6kmol?2s?1kP??3(RT)8.314kJ?kmol?1K?1?303K??3?1.655?10?6kmol?m?3s-1kPa-32、考虑反应A?3P，其动力学方程为?rA??示的动力学方程。

1dnAn??kA试推导在恒容下以总压表VdtVt?0t?tpA??3pA0?p总?V1?3pA0?p总?nA?22RT VdnA??dp总2RT?V??3pA0?p总?Vdp总???12RT??k2RT??VdtVdp总??3pA0?p总?dt3、丁烷在700℃，总压为0.3MPa的条件下热分解反应：

C4H10→2C2H4+H2 (A) (R) (S)

AnA0pA0nApAP003?nA0?nA?3?pA0?pA?p总pA03pA0?2pA

起始

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）

化学反应工程期末自测试卷

( 5 )

科 目:化学反应工程 适用对象:化学工程与工艺本科

I.填空题 1.(1)

在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。

2004-7-6

2.(2)

生成主产物的反应称为_______，其它的均为_______。

3.(1)

一个可逆的均相化学反应，如果正、逆两向反应级数为未知时，采用______________法来求反应级数。

4.(2)

分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。

5.(2)

具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。

6.(2)

2?????轴向分散模型的数学期望值_______，方差_______。

7.(1)

停留时间分布的密度函数在t≥0时，E（t）_______。

8.(1)

对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约0.1um时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻

力的主要因素，这种扩散称为_______。

9.(1)

测定气-液相反应速率的方法与均相反应时不同之点是实验时要排除气相和液相中的

例1.1 在350℃等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测得反应系统总压 p 与反应时间 t 的关系如下：

t/min 0 6 12 26 38 60 p/kPa 66.7 62.3 58.9 53.5 50.4 46.7 试求时间为 26min 时的反应速率。

解：以 A 和 R 分别代表丁二烯及其二聚物，则该二聚反应可写成： 2A → R 反应体系中各组分的浓度关系如下： t?0t?t 原 料CA0CA 产 物0(CA0?CA)/2 总浓度CA0(CA0?CA)/2 CA0p?02 p （Ａ） 0?由理想气体定律得： ( C A C A ) /

?p0 为 t = 0 时物系的总压， 整理上式为： C ? C ? 2p ? 1? （Ｂ） ??p? 将（B）式代入速率式中，得：） 2CdpdC?rA??A??A0?dtp0dt (c)

理想气体： CA0?p0/RT将 CA0 代入 (C) 式，为： ?rA??dCA??2?dpD

dtRTdt

t?????43.64解析法：对p-t关系进行回归分析，得：p ?22.90exp??30.45?dp22.90t?? ??exp???dt30.

2010-2011学年第二学期末考试试题（A卷）

一、选择题（30分，每题1.5分）

1、―三传一反‖是化学反应工程的基础，其中所谓的―一反‖是指 （ D ）。

A．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力学 2、对于反应aA?bB???pP?sS， 则rP= ___A__ ??rA?。

appa A. ， B. ， C. , D.

apap3、气相反应A + B → 3P + S 进料时无惰性气体，A与B 以1∶1 摩尔比进料，则膨胀因子?A=（Ｄ ）

A. –2 B. –1 C. 1 D. 2

4、气相反应2A + B → 3P + S 进料时无惰性气体，A与B 以2∶1 摩尔比进料，则膨胀率?A=（ Ｃ ） A. –1 B. –1/2 C. 1/3 D.4/3

5、反应C4H10?2C2H4?H2，反应速率常数k?2.0s?1，则反应级数n=（ Ｂ）

A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

6、串联反应A → P（目的）→R + S，目的产物P的得率XP =（ Ａ）。 A.

nP?nP0n?nn?nP0n?nP

第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础 一、思考题

1、间歇系统与连续系统中，反应速率的定义式有何异同？ 2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系？

3、反应速率可以用浓度ci、分压pi或摩尔分率yi来表述，相应的速率常数kc、kp、ky之间有何关系？ 4、温度增加，反应速率常数肯定增加，对否？

5、空速的定义是什么？它的大小反映了反应器的什么能力？

6、转化率的定义是什么？在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用？ 7、化学反应中哪种吸附起主要作用？

8、惰性物质不参加反应，所以对吸附、脱附无任何影响，对否？

9、吸附或脱附为控制步骤时，关键组分A的分压有何特点，非关键组分的分压有何特点？ 10、表面反应为控制步骤时，反应物、生成物的分压有何特点？ 11、表达反应系统体积变化的参数是什么？

12、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化？

第二章 气－固相催化反应本证及宏观动力学 一、思考题

1、对于球形催化剂，西勒模数（Thiele）越大，则催化剂的内扩散有效因子如何变化？

2、如果在某催化剂上测得的反应速率为r，而内扩散有效因子为0.8，则此反应速率是否为本征反应速率？ 3、对于气—固相反应