化学反应工程第三版课后答案
【篇一:化学反应工程第二版课后习题】
> 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? 3
4
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
10mkmols。现以气相分压来表示速率方程,即(?ra)=kppapb,求kp=?(假定气体为理想气体)
4
6
-2-1
2
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?
若将反应速率写成?ra??
dcadt
,有什么条件?
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? 7
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。
反应2h2?2no?n2?2h2o,在恒容下用等摩尔h2,no进行实验,测得以下数据总压/mpa 半衰期/s
10 考虑反应a?3p,其动力学方程为?ra??
容下以总压表示的动力学方程。
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。
116.8 319.8 490.2 913.8 1188 时间/s
-3
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?
dprdnsdya
,?。 dtdtdt
dpadt
?0.24mpa?s
?1
3-1-1-3-3
3-1
0.0272
265 0.0326 186 0.0381 135 0.0435 104 0.0543 67
求此反应的级数。
1v
dnadt
nav
??k试推导在恒
∞ 42.4 0
,求此时
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:
24
ch3cooh?c4h9oh????ch3cooc
hso
4
h9?h2o
?a? ?b? ?r? ?s?
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
-3
15 反应(ch3co)2o+h2o→2ch3cooh在间歇反应器中15℃下进行。已知一
-37
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:
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-3-3a-3-1
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
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)。
-3
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
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
24 在全混流反应器中进行如下等温液相反应:
rc=k1ca2 2a→b+c
rd=2k2cacb a+b→2d
-3
-3
-1
-3-1
-1
第二章习题
1. 动力学方程的实验测定时,有采用循环反应器的,为什么?
2. 为什么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?根据可逆放热反应的特点,试问选用何种类型反应器适宜?为什
么?
3. 一级反应a→p,在一体积为vp的平推流反应器中进行,已知进料温度为
1
???
4. 在体积vr=0.12m的全混流反应器中,进行反应a?br?s,式 ???k
3
k
2
b的转化率为75%时,求每种物料的流量。
??,已知?3
5. 可逆一级液相反应a?ca0?0.5kmol?m,p
???
cp0?0
;当此反
应在间歇反应器中进行,经过8min后,a的转化率为33.3%,而平衡转
化率是66.7%,求此反应的动力学方程式。
6. 平行液相反应
a→prp=1
【篇二:化学反应工程习题解答吴元欣】
解:(1)反应的选择性为:
s?
y0.629
??0.9611?96.11% x0.720
(2)进入反应器的原料气中,甲醇:空气:水蒸气=2:4:1.3(摩尔比),当进入
反应器的总原料量为100mol时,则反应器的进料组成为:
组分摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol)
ch3oh 空气 h2o 总计
2/(2+4+1.3)=0.2740 4/(2+4+1.3)=0.5479 1.3/(2+4+1.3)
=0.1781
1
27.4 54.79 17.81 100
设甲醇的转化率为xa,甲醛的收率为yp,反应器出口ch3oh、
ch3cho和co2的摩尔数na、np和nc分别为:
na=na0(1-xa)=7.672 mol np=na0yp=18.96 mol nc=na0(xa-
yp)=0.7672 mol
结合上述反应的化学计量式,h2o(nw)、o2(no)和n2(nn)的摩尔数分别为:
nw=nw0+np+2nc=38.30 mol no=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 mol
nn=nn0=43.28 mol
所以,反应器出口气体组成为:
组分摩尔数(mol)摩尔分率%
ch3oh hcho h2o co2 o2 n2
7.672 18.96 38.3 0.7672 0.8788 43.28
6.983 1
7.26 34.87 0.6983 0.7999 39.39
1-3解:以100mol进料为基准,并设x和y分别表示环氧乙烷和二氧化碳的生成量,根
据题目给的进料组成和化学计量关系列式:
1
c2h4?o2???c2h4o (1)
2
c2h4?3o2???2co2?2h2o(2)
可列出下表:
组成 c2h4 o2 c2h4o co2 h2o ar n2 反应器进口/%
15 7 0 10 0 12 56 反应器出口/% 15-x-0.5y 7-0.5x-1.5y
x 10+y y 12 56 由于反应器出口气出下面两个方程:
15?x?
yx3y
7??
?0.131及 ?0.048 xx100?100?
22
解得:x=1.504mol y=0.989mol
乙烯的转化量为:1.504+0.989/2=1.999mol 所以,乙烯的转化率为:1.999/15=13.33% 环氧乙烷的收率为:1.504/15=10.03% 反应的选
择性为:s=0.1003/.1333=75.24%
1-5解:由丁二烯氧化反应可知,反应过程中,反应混合物的总物质的量发生变化。如果
进料为100mol,则由氮平衡可算出反应后混合气的量为:
100?
27.0
?103.4mol 26.1
x?
丁二烯的收率
7.05?1.758
?75.1%
7.054.6?0.06
?64.4%
7.05
y?
丁二烯的选择性
s?
y0.644??85.75% x0.751
1-6解:
设原料的进料量为100kg/h,则有质量守恒,出反应器的量也为100kg/h,则出反应器的hcho为1.6kg/h,c4h6o2为7.65kg/h: 10?1.6
?100%?84% 107.65
?2
单程收率 y??100%?53.37%
10307.65
?2总收率y??100%?63.54% 10?1.630
y53.37%??100%?63.54% 选择性s?x84%
转化率x?
第二章均相反应动力学
2-3解:反应物a的消耗速率应为两反应速率之和,即
2
ra?rr?2rd?1.6ca?16.4ca?1.6ca(1?10.25ca)
dcadca
?1.6ca(1?10.25ca) 由ra??得: ?
dtdt
对上式积分:
1?
(1?x)?a?ca10.25ca0110.25
1.6t???(?)dca??ln(1?xa)?ln?
ca01ca10.25ca?1?1?
?10.25ca0?
0.6332t??0.3958h
1.6
??? ???
2-4解:(1)由题意可将反应速率表示为:
a?2b???c?4d rc?kcacb
对于恒容过程,则有
ca?ca0(1?xa)cb?cb0?2ca0xaca0cb0
当xa0?0.8时
pa00.1013?0.2?3
???2.382?10mol/lrt8.314?10?3?1023
?4ca0?4?2.382?10?3?9.528?10?3mol/l
ca?ca0(1?xa)?2.382?10?3?0.2?4.767?10?4mol/l
cb?cb0?2ca0xa?9.528?10?3?2?2.382?10?3?0.8?5.717?10?3m ol/l r?3c?rc?kcacb?2?4.764?10?4?5.717?10?5.447?10?6mol/l r5d?4rc?4?5.447?10?6?2.179?10?mol/l
(2)对于恒压过程,是个变容反应过程,由(2.49)式可求得总摩尔数的变化
?a??
?t1???4?1?2?2 a1
反应物a的原始分率:
y1
a0?
1?4
?0.2 由
(
2.52
)
式
可
求
得
转
化
率
为
80%
时
的
浓
度
cca0(1?xa)2.382?10?3?(1?0.8)a?1????3.609?10?4mol/l
aya0xa1?2?0.2?0.8
ccb0?2ca0xa9.528?10?3?2?2.382?10?3?0.85b?1??y?.2?0.8?4. 331?10?mol/l
aa0xa1?2?0r?6a?kcacb?2?3.069?10?4?4.331?10?5?3.126?10 mol/l r6c?rc?3.126?10?mol/l
2-8解:在初始浓度相同的条件下,有:k1t1?k2t2
又 k?ae?ert
∴ ln
k1k??ert(1t?1) 22t1
则 e??r(
1t?1
t)lnt2 12t1
代入数据,得e?98.074kj/mol
2-13解:对二级反应 a?b?
??p 有 rdca
a??dt
?kcacb?kca(cb0?ca0?ca) 对上式积分 t?1
k(c)1?xb1?x)
b0?ca0a
a). m?
cb0?ca0
c?1时,cb0?2ca0
a0
当x0.5时,x?3
a?b1?0.25,t1?5.4?10h;
:
当xa?0.9时,xb2?0.45,t2?2.27?10?2h;当xa?0.99时,
xb3?0.495,t3?5.23?10?2h。 b). m?
cb0?ca0
?5时,cb0?6ca0
ca0
?1?0.083,t1??1.616?10?3h;当xa?0.5时,xb
?2?0.15,t2??5.72?10?3h;当xa?0.9时,xb
?3?0.165,t3??1.18?10?2h 当xa?0.99时,xb
讨论:在初始物料相同的条件下,要求的转化率越高则所需要的反应时间越长,而且在高转
化率时增大一定的转化率所需的时间较低转化率时要长得多;在转化率一定的条件下,过量比越大,所需要的反应时间越短。
【篇三:化学反应工程第三章习题答案】
积为1m的间歇操作釜式反应器中,环氧丙烷的甲醇溶液
进行反应a→2b+c。已知由反应器流出的物料中含有a、b和c,
与水反应生成丙二醇
caf?0.04mol/l。试求:在反应器内条件下,a、b和c的反应速率? h2cochch3?h2o?h2cohchohch3
该反应对环氧丙烷为一级,反应温度下的速率常数为0.98h
?1
,原料液
中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3
,环氧丙烷的最终转化率为90%。若辅助时间为0.65h,一天24h
连续生产,试求丙二醇的日产量为多少?解h2cochch3
?h2o?h2cohchohch3
( a ) ( b )一级反应
t?1klnc1111c?ln1?x?ln?2.35h
afkaf0.981?0.9
v?vt?t?1m3?1m3
0/h
0(2.35?0.65)h3
丙二醇日产量=24v0ca0xaf
?1
=243
?2.1?0.9?15.12kmol/天
mb
?76kg/kmol
丙二醇日产量q?76?15.12?1149
.12kg/天 3-2一个含
有a和b液体(ca0?0.10mol/l、cb0?0.04mol
/l) 以体积流量2l/min流入容积vr=10l的全混流反应器,物料在最
佳的条件下
vr10l
解空时
??v??5min 02l/min
ca0?caf
r??
af
r0?caf
?
(0.1?0.04)mol/l af?
ca?
5min
?0.012mol/l?min
rbf?2raf?0.024mol/(l?min)
rcf
?raf?0.012mol/(l?min)
3-3 一个液相反应:a+b→r+s
其中,k1
?7l/(mol?min),k2?3l/(mol?min)。
反应是在一个容积为120l的稳态全混流反应器中进行的,两条加料线,一个保持2.8mol/l反应物a的加料浓度,另一个保持1.6mol/l 反应物b的加料浓度,两条线分别以等体积速率进入反应器,要求指定组分转化率为75%。求每条线的加料流量?假设反应器内密度为常数。解
a?b?????
k
1?k2
r?s
因b的浓度低,所以为指定组分,两条线混合后两组份的浓度各降一
半,因此,有:
xbf?
cb0?cbf
cb0
?1?
cbfcb0
?75%
ca0?cb0?2mol/l,要使出口a的转化率达0.875。求
3
0.278m/ks,求全混釜体(1)在单个全混釜中进行,进料体积为
cbf?0.2mol/l
积?
(2)当进料体积流量不变,用两个相等体积的釜串联,求全混釜总体积。
caf?ca0?cb0xbf?1.4?0.8?0.75?0.8mol/l
??k1?
因此,
r?s 出口
初始 1.4 0.800 caf?0.8mol/l 反应掉 0.6 0.6 生成 0.6 0.6 cbf ?0.2mol/l
rbf?k1cafcbf?k2crfcsf
?7?0.8?0.2?3?0.6?0.6?0.04mol/l?min
??
cb0?cbf
?0.8?0.2rbf
0.04
?15min
vr
120总加料速率v0
???l
15min?8l/min
每条线加料流量v
?v02
?4l/min
3-4 某液相二级反应
a+b→r+s,其速率常数
k?9.92m3/(kmol?ks)
,在全混流反应器中进行,
解 1. v0
?0.278m3
/ks caf?ca0(1?xaf)?0.25mol/l
cbf?0.25mol/l
??
ca0?caf
ca0xafr?
kc?2?0.875
afcbf
9.92?0.25
2?2.823ksaf
釜体积为 vr?v0
??0.278?2.823?0.785m3
2. 两釜串联 vri
?vr
2
?xa1xa2?xa1
?a0(1?xa1)kca0(1?xa2)2
?xa2?xaf?0.875
?xa1?0.725
??xa1
1kc(1?x2
?0.483ksa0a1)
,
vri?v0?i?0.278?0.483?0.134 vr?2vri?2?0.134?0.268m
3
因此,采用两个等体积釜相串联,反应器的总体积减小近3倍。 3-5 在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应:
a+r→p(目的)rp?2ca[kmol/(m3
?h)] 2a→r rr?0.5ca
[kmol/m3?h] c3
a0?cb0
?2kmol/m 试计算反应2h时a的转化率和产物p的收率?解
a+r→p(目的)rp?2ca2a→rrr
?0.5ca
ra?2rr?rp?3ca ,
k?3h?1
x?11
af
k??1?3?2?1
?0.143srp
2
p?r?
a3
y2
p?spxa?3
?0.143?9.52%
3-6 图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器,?a?0,a初始浓度为
2mol/l,要求转化率为80%,ra
?3camol/?l?min?,求每釜的空时
?i和总反应空时。
解图解法公式
1
rai
?
?cai?1?
i
?cai,
i
式中左边为反应速率线,右边为釜间的操作线,两个釜有一个交点即为方
程的解,其垂直向下做横坐标的垂线垂点的浓度值就是该釜的出口浓度值。 ra
?3ca, xaf?80%,所以,出口浓度为c
af
=0.4mol/l
以浓度ca为横坐标,以反应速率为纵坐标,在坐标上绘ra?3ca通过
率向左上方作直线与ra
?3ca线相交于一点,用该点向下作垂线,求得第
注意:当相串联的反应釜体积不相等时,通过各釜的空时不等,直线的斜率就不等。
3-7 在等温操作下的间歇釜中进行某一级液相反应,13min后反应物转化
了70%,若把此反应移到平推流反应器和全混流反应器中进行,达到相同的转化率所需的时空和空速为多少? 解间歇釜
t?1ca0klnc ,
af
t=13min, caf
?ca0(1?xaf)?0.30ca0
?k?0.093min?1
,ra?kca
平推流
?
c?a0
?
xa
dxa
r
????caf
dcac??1lncaf
?13mina0kca
kc
a0 全混流
?caf
ca0?caf
??
ca0r?
?25.09min
af
kca01?xaf
3-8 在某一全混流反应器中进行均相液相反应a→r,ra?kc
2
a,转
化率xa
?0.50,其他值不变,
(1)若把反应器的体积增大到原来的6倍,转化率为多少?
(2)若反应在一个与其容积相同的平推流反应器中进行,转化率为多少?
解a→r , r2
a?kca, xaf
?0.5 ??ca0?caf
ca0xaf
?2
r?
2
afkc2
a01?xafkca0
vr
??v0
(1) v
r?6vr ,此时 ??6?
ca0?caf
?6?2xaf12
?
?
af
kc?2
?a0kca0(1?xaf)kca0
解得 xaf?0.75?75%
(2) vrm?vrp , ?m??
?xa
dxacaf11?11?m??0r??a?ca0kc2dca?????2a
k??cafca0??kca0
caf
?1
3
ca0, xaf?66.67%
3-9 在555k、0.3mpa的平推流管式反应器中进行a→p的气相反应。已知进料中含30%(摩尔分数)a,其余为惰性物料,a的加料流量为6.3mol/s,
动力学方程为:ra?0.27ca
mol/(m3
?s) 为了达到95%的转化率,试求反应器的容积大小?
解a→p(气相总摩尔数不变的反应),ra?0.27ca(mol/m3?s)平推流 ???
ca0
dca1ccaf
r?27lna0
a0.c
af
xaf
?0.95
???10.27lnca0
c?11.09s
a0(1?xaf)
ca?pa0pya0.3?106?00
rt?rt?.38.314?555
?19.5mol/m3v0
?6.319.5
?0.32m3
/s
vr??v3
?3.55m
3-10一级气相反应2a?r?2s在平推流管式反应器中进行,当空
速为1min
?1
时,纯a进料的转化率为90%,求a的转化率为95%时,该反
应器的单位体积进料量。解2a
?r?2s(气相等压变摩尔数反应)
其膨胀率为:
?2?1?2a?2
? 利用一级等压变容公式: k???(1??a)ln(1?xaf)??axaf
代入?
?1min,?a?0.5,xaf?90%
k?1??(1?0.5)ln(1?0.90)?0.5?0.90 解得 k
?3min?1
同理
k?3min?1,?a?0.5,xaf2?95%
?2?1.34min
又?vr
??vo??2v02 ?vo2?0.746vo
单位反应器体积进料量为v3
3-11 均相反应a→3r,服从二级反应动力学,在0.5mpa、623k和 v0?4m3/h纯a进料下,采用一内径为2.5cm、长2m的实验反应器能
获得
60%转化率。为设计工业规模的反应器,当处理量为
320m3
/h时,进料中含50%a和50%惰性物,同样在0.5mpa、623k下反应,要达到80%转
化率,试问:需内径2.5cm、长2m的管子多少根?
解此题为二级等压变容反应过程
k?c1??2a?xaf
a0?
?1?x??2axaf?2?a?1??a?ln(1?xaf)af
一根管子时: ??3?1a1
1
?2 ,xa1?60%
k???1??2
a1?xa11ca01
1?x??2a1x
a1
?2?a1?1??a1?ln?1?xa1?
a1
??1?2?2
?0.60?22.4
?0.6?2?2?3ln0.4
?4.905。。。。。。(1)在进料含50%a和50%惰性物