2022年化学反应工程纸质作业答案.docx
精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载第一章（摩尔衡算）作业答案：P1-11A 在一个连续流淌的反应器中反应：A B等温进行,运算当进料的摩尔流率为5mol/h, 假设反应速率 -r A 为：（a） -r A=k, k=0.05mol/h.L 时（b） -r A=kCA, k=0.0001s-1 时（c） -r A=kCA 2, k=3 L/mol.h 时 消耗 99%的组分 A（即 CA=0.01CA0）时,对 CSTR 和 PFR 反应器需要的反应器 体积；进料的体积流量为10L/h；留意： FA=C Av；当体积流量恒定时,v=v0, 因此,FA=C Av0；故 CA0=F A0/v0=（5 mol/h）/10L/h=0.5mol/L ； 解：（a）在 CSTR 中,组分 A 的摩尔平稳方程为：VFAoFA/L99LrAVCAovkC vCAov0.01 CA0 v0.99vCAo0.9910L h0.5 molkk0.05 mol/h L对 PFR,组分的摩尔平稳方程为：dFArAdV摩尔流率与体积流率之间的关系：FAC v由于体积流率 v 恒定,故有：dFAdC v AvdCAdVdVdV对零级不行逆反应,反应速率可写为：rAk将 rA 代入方程得到：vdCArAkdV整理得：v dC kAdV反应器入口的条件：当V=0 时 CA=C A0对上式子积分：vCAdCAVdVkCA00给出方程：VvCA0CAk将 CA0、CA、v 和 k 的数值代入方程,得：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - V10L h10.01优秀学习资料欢迎下载0.5 mol L99L0.05 mol h L（b）在 CSTR 中,组分 A 的摩尔平稳方程为：VFAorAFAVvlnCA0VCAovC vCAov0.01 CA 0v99v9910L hh12750LkCAk0.01CA0k0.00013600依据（ a）中 PFR 的求解方法,得出一级不行逆反应的V 的表达式：kCA将 CA0、CA、v 和 k 的数值代入方程,得到：V10L hh1ln1127.9L00.000136000.01（c）在 CSTR 中,组分 A 的摩尔平稳方程为：VFAorAFAVC vC vC v0.01 C v9900v0990010 / L h66000 L2 kC Ak0.01CA 02kCA3 / L mol h0.5 mol L依据（ a）中 PFR 的求解方法,得出二级不行逆反应的V 的表达式：Vv 1k C A1CA将 CA0、CA、v 和 k 的数值代入方程,得到：V10 / L h0.511660 L3 / L mol h0.010.5其次章（转化率和反应器尺寸）作业答案：在体积为 2.5 m 3 的抱负 BR 中进行液相反应：AB3P ,反应温度维护在 75,试验测 定 反 应 速 率 方 程 为 ：rAkC C ,k2.7810l mol s ,CA0C B04mol l ,FA0684mol/ min求：（1）反应器中 A 的转化率达 80%时所需的时间；（2）上述反应在 PFR 中进行, A 的转化率达 80%时所需反应器体积；（3）上述反应在 CSTR 中进行, A 的转化率达 80%时所需反应器体积；（4）上述反应在两个串联的PFR 中进行, A 的转化率分别为50和 80%时所需反应器体积；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - （5）上述反应在两个串联的优秀学习资料欢迎下载50和 80%时所需CSTR 中进行, A 的转化率分别为反应器体积；解：由于 A 和 B 的初始浓度相同,而且反应过程二者的反应量相同,所以在整个反应过程中 CACB,所以反应速率可表达为rAkC2A（1）由 BR 设计方程可得反应所需的时间为：tCXANA0dXAANA0XAdXACA 0XAdX KCA 2A1030. 8 108.359 . 7 s 0rA VV0r A0A0XAKC2dXXA2XA2. 780 1kCA0 1XA4A 0（2）由 CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：VFA0XAkCFA0XAA2684 / 600.80.825125.9 rA201X2.78 103441A（3）由 PFR 的设计方程可得反应器的体积为：VFA0XAdXAFA00XA1dXA2F A001XAA2.78684 / 600.80.81025.2L0rAKC20XAKC2X103441AA（4）由 PFR 的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：VFA0XAdXAFA 000.51dXA2FA 0010.52.78684 / 600.50.5256.3 0rAKC2 A0XAKC2 A0.5103441当转化率由 50到 80时所需反应器的体积为：VFA00.8dXAFA000.81dXA2F A0010.8FA0010.5684/ 604 0.84 1 0.810.5768.9 0.5rAKC20.5XAKC20.8KC20.52.78 1030.5AAA（5）由 CSTR 的设计方程可得当转化率为50时反应器的体积为：VFA0XAkCFA0XAA22.78684 / 600.50.52512.6L201X10344r A1A当转化率由 50到 80时所需反应器的体积为：名师归纳总结 VFA0XA2XA1FA0XA2XA10.6841000 / 600.80.51922L第 3 页,共 8 页rAkC201XA222.781034410.82A- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载第三章（速度定律和化学计量方程）作业答案：P3-12A（1）将 H 作为运算的基准,建立等压等温流淌系统中等摩尔 N 和 H 进料时下列反应的完整的化学计量表；1N 2 3H 2 NH 32 2（2）假如入口总压为 16.4atm,入口温度为 1727,运算 H 2 的转化率为 60%时氨和氢气的浓度；（3）假如将 N 2 作为运算的基准,N 2 的转化率能达到 60%吗？解：（1）以 H 作为运算基准,化学反应式整理为：H 2 1N 2 2NH 33 3化学计量表为：名师归纳总结 组分符号初始量变化量剩余量0X第 4 页,共 8 页H2A FA 0FA0XFA 01XN2B FB01FA0XFA011X33NH3C 0 2FA 0X2F X33T F T02FA 0F T2FA 02F A3（2）由抱负气体定律可得入口处A 的浓度为：CA0yA0 P0.0820.5 16.4 atm273K0.05mol/LRTL atm mol K1727对于反应H21N22NH ,211233333入口处： FA0FB0,就 yA00.5,所以yA013由于压力和温度保持不变,CH2C ACA01XC A01X0.051110.60.025mol/ L1X11 3X0.63CNH3C CC A0C2 X3XC A002 X31 X30.051210.60.025mol / L3110.63（3）以N 作为运算基准,化学反应式整理为：N23 H22NH3- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - '231优秀学习资料欢迎下载2 ,yA00.5,所以yA01CN2CA01XCA01X0.0510.60.05mol / L1X1X10.6CCA0B3XCA013X0.051130.60.1mol / LH21X1X0.6CH2不能小于 0,所以以N 作为运算基准,N 的转化率不能达到60%；第四章（等温反应器设计运算）作业答案：P4-12B 在一个等温管式（活塞流）反应器中,发生不行逆气相基元反应2AB；反应物 A 和稀释剂 C 以等摩尔比加入,并且A 的转化率为 80 %；假如 A 的摩尔进料流率削减一半, 假设 C 的进料流率保持不变, 那么 A 的转化率为多少？假设气体 的抱负性和反应器的温度保持不变；解： 对于不行逆气相基元反应2AB,整理为A20.5 B2 X膨胀因子0.5-1-0.5 X1 1对于二级反应,由课本P147 公式（ 4-17）得：VFA 02 1ln1XkC2 A 0X第一种情形下：名师归纳总结 由于FA 0F C0,所以yA 00.50所以y'00.333第 5 页,共 8 页yA00.5*0.50.25CA0yA0P T0.5P TRTRTF C0F A其次种情形下：由于F'00.5 F A0,F'0ACA'y'00.33*0.50.165AC'0y'0P T0.33P TAARTRT所以F'00.5,C' A02AF A0CA03- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - VF A002 1ln1X2X优秀学习资料欢迎下载（1）12X2 kC A1X代入已知量,整理得到：2 VkC A02.9'11' 2X'（2）F A0V'F'022'1'ln1X''2XAk C'0X 'A把式（ 1）/式（ 2）,整理得：2'1'ln1X''2X'11' 2'X'2.58X代入' A,试差得：X 0.76 '可见当 A 的摩尔进料流率削减一半,而C 的进料流率保持不变, A 的转化率为 76；第六章（复合反应）作业答案：1. 在肯定的反应温度下A 发生下述平行反应：h AK 1Rr 12 . 0 C A k m o l3 /m.2AK 2Sr 20.2 C23 kmol m h . A其中 R 是主产物, S是副产物； 反应原料为纯的反应物（1）运算 A 的转化率为 80%时的瞬时挑选性；A,其初始浓度为 10 kmol/m 3；（2）对该平行反应,采纳怎样的操作方式可以提高反应过程的挑选性？解： （1）依据瞬时挑选性的定义：S r R 2.0 C A2 10r S 0.2 C A C A当 A 的转化率为 80%, CACA0（1-0.8） 2 kmol/m 3,S 10 105C A 2（2）由于 S 10,所以在反应过程中, 为了使 S尽可能大,需要使 A 的浓度尽可能低,C A为此可以采纳以下方法： （a）采纳 CSTR 反应器（ b）加入惰性物质稀释进料（ c）假如反应为气相反应,采纳低压操作2. 在一个间歇反应器中进行连串一级不行逆等温反应：名师归纳总结 C6H6k1C6H5Clk3C6H4Cl2第 6 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 反应过程体积不变化,C6H5Cl优秀学习资料6H欢迎下载为主产物,C4Cl2为副产物；已知 k11.0 h-1,k20.5 h-1,入口为纯 C 6H 6 进料,运算该连串反应所能达到的最优转化率和最优转化时间；k 1 / k 2 k 1 1/0.5 1解： 对于一级连串反应,其最优转化率 X opt 1 k 1 1 10.75k 2 0.5最优转化时间 t opt 1ln k 1 1ln 11.39 hk 1 k 2 k 2 1 0.5 0.5第十章（多孔催化剂的扩散和反应）作业答案：P12-4B 在不同温度、 流速和颗粒尺寸时, 在微分填充床反应器中发生反应：AB ,结果见图 P12-4；（1） 在什么条件下（ dp、T、FTO）外扩散成为掌握步骤？（2） 哪些区域为反应速率掌握？（3） 哪些区域为内扩散掌握？（4） 在 T400,dp0.8cm 时内扩散有效因子为多少？图 P12-4 解：名师归纳总结 （1） 在 T400K,FTO <2500mol/s 条件下外扩散成为掌握步骤；第 7 页,共 8 页（2）在 T300K,dp<0.8cm 和 T400K,FTO >2500mol/s ,dp<0.1cm 区域为反应速率掌握；（3） 在 T400K,FTO >2500mol/s,0.1cm < dp <0.8cm 区域为内扩散掌握；（4） 在 T400,dp0.8cm 时,内扩散有效因子：- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载100.67催化剂颗粒的实际反应速率内扩散无影响时的反应速率152、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据：No. 粒径出口反应物浓度转速反应速率dpCAN rA1 0.5 1 800 4 2 1 1 800 4 3 2 1 800 2 4 2 1 300 2 （1）请分析该试验装置的外扩散阻力情形？（2）请分析该试验装置的内扩散阻力情形？（ 3）请分别求出第 1 组和第 3 组试验中的内扩散有效因子？解：（1）比较（ 3）和（4）两组数据可知：当转速转变时,反应速率不变,可见外扩散阻力特别小,外扩散的影响已排除；（2）比较（ 1）、（2）和（ 3）三组数据可知：当催化剂粒径由 发生变化,可见内扩散对反应过程有影响；当催化剂粒径由不变化,可见内扩散对反应过程无影响；可见,当粒径小于 影响；2 减小到 1 时,反应速率 1 减小到 0.5 时,反应速率 1 时,内扩散对反应过程无催化剂颗粒的实际反应 速率（3）由定义可知：内扩散有效因子,内扩散无影响时的反应 速率第（ 1）组试验中,41 第（ 3）组试验中,20.54 43、在球形催化剂上进行一级不行逆反应 A P,催化剂的粒径为 2.4mm,气流主体中A 的浓度为 1mol/m 3,测得单位床层表观反应速率 rAobs2.77× 10-5 mol/cm 3.s,组分 A 在颗粒内有效扩散系数为 0.15cm 2/s,外部传质系数为 K G30cm/s；请问：（1）外扩散对反应过程是否有影响？（2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来排除该影响？解：（1）由 Mears 判据得：r AobsRn.277105mol/cm3. s 1.024 cm1.011080. 152 molk GCAG30 cm/s 1106/cm3可见外扩散无影响；（2）由 Weisz-Prater判据得：C WPrAobs R25 2.77 10 mol/3 cm s . 1 0.2423mol cmcm 22.65921D CAs0.15 cm26 / 1 10 可见内扩散有影响；可通过减小催化剂直径来排除内扩散的影响；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页
