2023年化学反应工程纸质作业超详细解析答案.pdf

优秀学习资料 欢迎下载 第一章（摩尔衡算）作业答案：P1-11A 在一个连续流动的反应器中反应：AB 等温进行，计算当进料的摩尔流率为 5mol/h,假设反应速率-rA为：（a）-rA=k，k=0.05mol/h.L 时（b）-rA=kCA，k=0.0001s-1 时（c）-rA=kCA2，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。注意：FA=CAv。当体积流量恒定时，v=v0,因此，FA=CAv0。故 CA0=FA0/v0=（5 mol/h）/(10L/h)=0.5mol/L。解：（a）在 CSTR 中，组分 A 的摩尔平衡方程为：AoAAFFVr 00.0110/0.5/0.990.99990.05/.AoAAoAAoC vC vC vC vvCL hmol LVLkkkmol h L 对 PFR，组分的摩尔平衡方程为：AAdFrdV 摩尔流率与体积流率之间的关系：AAFC v 由于体积流率 v 恒定，故有：AAAdFdC vdCvdVdVdV 对零级不可逆反应，反应速率可写为：Ark 将 rA代入方程得到：AAdCvrkdV 整理得：AvdCdVk 反应器入口的条件：当 V=0 时 CA=CA0 对上式子积分：00AACVACvdCdVk 给出方程：0()AAvVCCk 将 CA0、CA、v 和 k的数值代入方程，得：优秀学习资料 欢迎下载 10/(10.01)0.5/990.05/L hVmol LLmol h L（b）在 CSTR 中，组分 A 的摩尔平衡方程为：AoAAFFVr 0100.0110/999927500.010.00013600AoAAoAAACvC vCvCvvL hVLkCkCkh 根据（a）中 PFR 的求解方法，得出一级不可逆反应的 V 的表达式：0lnAAvCVkC 将 CA0、CA、v 和 k的数值代入方程，得到：110/1ln127.90.000136000.01L hVLh（c）在 CSTR 中，组分 A 的摩尔平衡方程为：AoAAFFVr 00022000.0110/9900990066000(0.01)3/0.5/AAAAAAAC vC vC vC vvL hVLkCkCkCL mol hmol L 根据（a）中 PFR 的求解方法，得出二级不可逆反应的 V 的表达式：011()AAvVk CC 将 CA0、CA、v 和 k的数值代入方程，得到：10/11()6603/0.50.010.5L hVLL mol h 第二章（转化率和反应器尺寸）作业答案：在体积为 2.5 m3的理想 BR 中进行液相反应：ABP，反应温度维持在 75，实验测定反应速率方程为：AABrkC C，32.7810/.kl mol s，004/ABCCmol l，0684/minAFmol 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。此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 欢迎下载（5）上述反应在两个串联的 CSTR 中进行，A 的转化率分别为 50和 80%时所需反应器体积。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2AAkCr （1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：)(7.359)8.01(41078.28.0)1()1(30022000200000sXkCXXKCdXCKCdXCrdXVNVrdXNtAAAAXAAAAAAAXAAAXAAAAAXA（2）由 CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：0022320(684/60)0.85125.9()(1)2.78 1044(10.8)AAAAAAAF XF XVLrkCX（3）由 PFR 的设计方程可得反应器的体积为：00022230000684/600.81025.2()(1)(1)2.781044(10.8)AAXXAAAAAAAAAAAdXFdXFXVFLrKCXKCX（4）由 PFR 的设计方程可得当转化率为 50时反应器的体积为：0.5000222300000.5684/600.5256.3()(1)(10.5)2.781044(10.5)AXAAAAAAAAAdXFdXFVFLrKCXKC当转化率由 50到 80时所需反应器的体积为：0.80.80000222230.50.50000.80.5684/600.80.5()768.9()(1)(10.8)(10.5)2.781044(10.8)(10.5)AAAAAAAAAAAdXFdXFFVFLrKCXKCKC（5）由 CSTR 的设计方程可得当转化率为 50时反应器的体积为：0022320(684/60)0.5512.6()(1)2.781044(10.5)AAAAAAAFXFXVLrkCX 当转化率由 50到 80时所需反应器的体积为：021021223202()()(0.6841000/60)(0.80.5)1922()(1)2.781044(10.8)AAAAAAAAAFXXFXXVLrkCX 此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 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2H作为计算的基准，建立等压等温流动系统中等摩尔2N和2H进料时下列反应的完整的化学计量表。2231322NHNH（2）如果入口总压为 16.4atm，入口温度为 1727，计算2H的转化率为 60%时氨和氢气的浓度。（3）如果将2N作为计算的基准，2N的转化率能达到 60%吗？解：（1）以2H作为计算基准，化学反应式整理为：2231233HNNH 化学计量表为：组分 符号 初始量 变化量 剩余量 2H A 0AF 0AFX 0(1)AFX 2N B 0BF 013AF X 01(1)3AFX 3NH C 0 023AF X 023AF X T 002TAFF 00223TAAFFF X （2）由理想气体定律可得入口处 A 的浓度为：000.5 16.40.05(/)0.082(/)(1727273)AAy PatmCmol LRTL atm mol KK 对于反应2231233HNNH，2121333 入口处：FA0FB0，则 yA00.5，所以A01y3 由于压力和温度保持不变，2HAA0A01X1X10.6CCCC0.050.025(mol/L)111X1X10.633 3CNHCA0A0222X0X0.6333CCCC0.050.025(mol/L)111X1X10.633 （3）以2N作为计算基准，化学反应式整理为：22332NHNH 此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 欢迎下载 23 12 ，yA00.5，所以A0y1 2NA0A01X1X10.6CCC0.050.05(mol/L)1X1X10.6 2BHA0A03X13X13 0.6CCC0.050.1(mol/L)1X1X10.6 2HC不能小于 0，所以以2N作为计算基准，2N的转化率不能达到 60%。第四章（等温反应器设计计算）作业答案：P4-12B在一个等温管式（活塞流）反应器中，发生不可逆气相基元反应BA2。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%。如果 A 的摩尔进料流率减少一半，假设 C 的进料流率保持不变，那么 A 的转化率为多少？假设气体的理想性和反应器的温度保持不变。解：对于不可逆气相基元反应BA2，整理为0.5AB 膨胀因子0.5-1-0.5 对于二级反应，由课本 P147 公式（4-17）得：22020(1)2(1)ln(1)1AAFXVXXkCX 第一种情况下：因为00ACFF，所以00.5Ay 00.5*(0.5)0.25Ay 000.5ATTAy PPCRTRT 第二种情况下：因为000.5AAFF，000CCAFFF所以00.333Ay 00.33*(0.5)0.165Ay 000.33AATTy PPCRTRT 所以000.5AAFF，0023AACC 此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 欢迎下载 22020(1)2(1)ln(1)1AAFXVXXkCX （1）代入已知量，整理得到：2002.9AAVkCF 0 2220(1)2(1)ln(1)()1AAFXVXXk CX （2）把式（1）/式（2），整理得：22(1)2(1)ln(1)2.581XXXX 代入A，试差得：X0.76 可见当 A 的摩尔进料流率减少一半，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.在一定的反应温度下A 发生下述平行反应：RAK1 312.0(/.)ArCk m o lmh SAK22 2320.2(/.)ArCkmol m h 其中 R是主产物，S 是副产物。反应原料为纯的反应物 A，其初始浓度为 10 kmol/m3。（1）计算 A的转化率为 80%时的瞬时选择性。（2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？解：（1）根据瞬时选择性的定义：22.0100.2RASAArCSrCC 当 A 的转化率为 80%，CACA0（1-0.8）2 kmol/m3，101052ASC（2）由于10ASC，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，为此可以采用以下方法：（a）采用 CSTR 反应器（b）加入惰性物质稀释进料（c）如果反应为气相反应，采用低压操作 2.在一个间歇反应器中进行连串一级不可逆等温反应：66HCk1ClHC56k3246ClHC 此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 欢迎下载 反应过程体积不变化，ClHC56为主产物，246ClHC为副产物。已知 k11.0 h-1，k20.5 h-1，入口为纯66HC进料，计算该连串反应所能达到的最优转化率和最优转化时间。解：对于一级连串反应，其最优转化率121/()1/(0.5 1)121110.750.5kkkoptkXk 最优转化时间1122111lnln1.3910.50.5optkthkkk 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）外扩散成为控制步骤？（2）哪些区域为反应速率控制？（3）哪些区域为内扩散控制？（4）在 T400，dp0.8cm 时内扩散有效因子为多少？图 P12-4 解：（1）在 T400K，FTO 2500mol/s 条件下外扩散成为控制步骤。（2）在 T300K，dp2500mol/s，dp2500mol/s，0.1cm dp 0.8cm 区域为内扩散控制。（4）在 T400，dp0.8cm 时，内扩散有效因子：此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行优秀学习资料 欢迎下载 100.6715催化剂颗粒的实际反应速率内扩散无影响时的反应速率 2、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 dp 出口反应物浓度 CA 转速 N 反应速率 rA 1 0.5 1 800 4 2 1 1 800 4 3 2 1 800 2 4 2 1 300 2（1）请分析该实验装置的外扩散阻力情况？（2）请分析该实验装置的内扩散阻力情况？（3）请分别求出第 1 组和第 3 组实验中的内扩散有效因子？解：（1）比较（3）和（4）两组数据可知：当转速改变时，反应速率不变，可见外扩散阻力非常小，外扩散的影响已消除。（2）比较（1）、（2）和（3）三组数据可知：当催化剂粒径由 2 减小到 1 时，反应速率发生变化，可见内扩散对反应过程有影响；当催化剂粒径由 1 减小到 0.5 时，反应速率不变化，可见内扩散对反应过程无影响。可见，当粒径小于 1 时，内扩散对反应过程无影响。（3）由定义可知：内扩散有效因子，速率内扩散无影响时的反应速率催化剂颗粒的实际反应 第（1）组实验中，144 第（3）组实验中，20.54 3、在球形催化剂上进行一级不可逆反应PA，催化剂的粒径为 2.4mm，气流主体中A 的浓度为 1mol/m3，测得单位床层表观反应速率(rA)obs2.7710-5 mol/(cm3.s)，组分 A 在颗粒内有效扩散系数为 0.15cm2/s，外部传质系数为 KG30cm/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？可通过什么途径来消除该影响？解：（1）由 Mears 判据得：15.01108.0)/(101)/(301)(24.021)./(1077.2)(3635cmmolscmcmscmmolCkRnrAGGobsA 可见外扩散无影响。（2）由 Weisz-Prater判据得：532226312.77 10(/(.)(0.24()22.659210.15(/)1 10(/)AWPeAsmolcm scmrobs RCD Ccmsmol cm 可见内扩散有影响。可通过减小催化剂直径来消除内扩散的影响。此故解在中组分的摩尔平衡方程为对组分的摩尔平衡方程为摩尔流率与入方程得将优秀学习资料欢迎下载在中组分的摩尔平衡方程为根据中的入方程得到第二章转化率和反应器尺寸作业答案在体积为的理想中进行