第二版化学反应工程课后知识题目解析.doc
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1、,第一章习题1 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?答:化学反应式中计量系数恒为正值,化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同,符号相反,对于产物二者相同。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?答:如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物,该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都
2、是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义,仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值,决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。3 若将反应速率写成,有什么条件?答:化学反应的进行不引起物系体积的变化,即恒容。4 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?答:在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系,而这种关系仅是动力学方程的直接积分,与反应器大小和投料量无关。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+2BCA+C D (2)A+2BCB+CDC+DE (3)2A+2BCA+CD解(1) (2) (3) 6
3、气相基元反应A+2B2P在30和常压下的反应速率常数kc=2.65104m6kmol-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)解7 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。解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在水中的浓度远大于A,在反应过程中可视为不变,而反应物A溶解于水的速率极快,以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成
4、量。已知k=1m3kmol-1hr-1,cB0=3kmolm-3,cA饱和=0.02 kmolm-3,水溶液流量为10m3hr-1。解9 反应,在恒容下用等摩尔H2,NO进行实验,测得以下数据总压/MPa0.02720.03260.03810.04350.0543半衰期/s26518613510467求此反应的级数。解Y = A + B * XParameterValueErrorA1.602170.01399B-1.99460.0083410 考虑反应,其动力学方程为试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。解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
5、数。时间/s116.8319.8490.2913.81188cA/kmolm-399.090.683.070.665.342.4cB/kmolm-356.648.240.628.222.90解由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B产物进行设为二级反应积分得:以对t作图若为直线,则假设正确。由cA0-cB0=42.4整理得数据如下:t116.8319.8490.2913.811880.01320.01490.01690.02160.0247线性回归:Y = A + B * XParameterValueErrorA0.011661.84643E-4B1.08978E-52.55927E
6、-712 丁烷在700,总压为0.3MPa的条件下热分解反应:C4H102C2H4+H2(A) (R) (S)起始时丁烷为116kg,当转化率为50%时,求此时。解13 某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmolm-3时,反应到某一浓度需要285s,初始浓度为1kmolm-3时,反应到同一浓度需要283s,那么,从初始浓度为5kmolm-3反应到1kmolm-3需要多长时间?解t=285-283=2s反应前后体积不变的不可逆反应,已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。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:反应物配比
7、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醋酸丁酯(忽略分离损失),计算反应器体积。混合物密度为750kgm-3,反应器装填系数为0.75。解15 反应(CH3CO)2O+H2O2CH3COOH在间歇反应器中15下进行。已知一次加入反应物料50kg,其中(CH3CO)2O的浓度为216molm-3,物料密度为1050kgm-3。反应为拟一级反应,速率常数为k=5.708107 exp(E/RT) min-1,E=49.82kJmol-1。求xA=0.8时,在等温操作下的反应时间。解16
8、 在100下,纯A在恒容间歇反应器中发生下列气相反应:2AR+SA组分分压与时间关系见下表:t/sec020406080100120140160pA /MPa0.10.0960.0800.0560.0320.0180.0080.0040.002试求在100,0.1MPa下,进口物流中包含20%惰性物,A组份流量为100molhr-1,达到95%转化率所需的平推流反应器的体积。解17 间歇操作的液相反应AR,反应速率测定结果列于下表。欲使反应物浓度由cA0=1.3kmolm-3降到0.3 kmolm-3需多少时间?cA/kmolm-30.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32
9、.0(rA)/kmolm-3min-10.10.30.50.60.50.250.100.060.050.0450.042解图解积分0.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0103.332.01.672.04.01016.720.022.223.818 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,其反应速率均可表达为rA=23pA2 molm-3s-1,式中pA 的单位为kPa。求该反应的活化能。解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=2
10、mol;nB0=3mol;nP0=0,求化学膨胀率(用两种方法)。解方法一方法二20 在555K及0.3MPa下,在平推流管式反应器中进行气相反应AP,已知进料中含A 30%(摩尔分数),其余为惰性物料,加料流量为6.3mols-1,动力学方程式为rA=0.27cA molm-3s-1为了达到95转化率,试求:(1) 所需空速为多少?(2) 反应器容积大小?解21 液相一级不可逆分解反应AB+C于常温下在一个2m3全混流反应器(CSTR,MFR,连续搅拌槽式反应器)中等温进行。进口反应物浓度为1 kmolm-3,体积流量为1m3hr-1,出口转化率为80%。因后续工段设备故障,出口物流中断。操
11、作人员为此紧急停止反应器进料。半小时后故障排除,生产恢复。试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少?解22 第17题中的反应,(1)当cA0=1.2kmolm-3,进料速率1kmolAhr-1,转化率为75;(2) cA0=1.3kmolm-3,进料速率2kmolAhr-1,出口为0.3kmolm-3;(3) cA0=2.4kmolm-3,出口仍然为0.3kmolm-3,进料速率为1kmolAhr-1。计算三种情况下,用全混流反应器的体积各为多少?解23 反应A+BR+S,已知VR=0.001m3,物料进料速率V0=0.510-3m3min-1,cA0=cB0=5molm3,动力学方程式为r
12、A=kcAcB,其中k=100m3kmol-1min-1。求:(1)反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少?(2)欲用全混流反应器得到相同的出口转化率,反应器体积应多大?(3)若全混流反应器体积VR=0.001m3,可达到的转化率为多少?已知k=1m3kmol-1hr-1,cB0=3kmolm-3,cA饱和=0.02kmolm-3,水溶液流量为10m3hr-1。解平推流(1) 全混流(2)24 在全混流反应器中进行如下等温液相反应:2ABCrc=k1cA2AB2DrD=2k2cAcBA的初始浓度为2.5kmolm-3,A和C的出口浓度分别为0.45和0.75kmolm-3。假设进口物流中不
13、含B、C、D,反应时间为1250sec,求:1. 出口物流中B和D的浓度;2. k1和k2 。解第二章习题1. 动力学方程的实验测定时,有采用循环反应器的,为什么?答:循环反应器行为与全混流反应器相同,可以得到反应速率的点数据,而且反应器进出口浓度差比较大,对分析精度要求不很高。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?答:可逆吸热反应的反应速率与化学平衡都随温度的升高而升高,高温下操作对二者都有利。可逆放热反应的化学平衡随温度的升高向反应物方向移动,对达到高转化率不利。对此类反应,可选用多段绝热反
14、应器或换热条件较好的管式反应器。3. 一级反应AP,在一体积为VP的平推流反应器中进行,已知进料温度为150,活化能为84kJmol-1,如改用全混流反应器,其所需体积设为Vm,则Vm/Vp应有何关系?当转化率为0.6时,如果使Vm=Vp,反应温度应如何变化?如反应级数分别为n=2,1/2,1时,全混流反应器的体积将怎样改变?解:4. 在体积VR=0.12m3的全混流反应器中,进行反应,式中k1=7m3kmol-1min-1,k2=3m3kmol-1min-1,两种物料以等体积加入反应器中,一种含2.8kmolAm-3,另一种含1.6kmolAm-3。设系统密度不变,当B的转化率为75时,求每
15、种物料的流量。解5. 可逆一级液相反应,已知;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。解6. 平行液相反应AP rP=1AR rR=2cAAS rS=cA2已知cA0=2kmolm-3,cAf=0.2kmolm-3,求下列反应器中,cP最大为多少?(1) 平推流反应器;(2)全混流反应器;(3)两相同体积的全混流反应器串联,cA1=1 kmolm-3。解7. 自催化反应A+P2P的速率方程为:rA=kcAcP,k=l m3kmol-1min-1,原料组成为含A 13%,含P 1%(摩尔百分数),且cA0+cP0= l
16、 kmolm-3,出口流中cP= 0.9 kmolm-3,计算采用下列各种反应器时的空间时间(=VR/V0)。(1)平推流反应器;(2)全混流反应器;(3)平推流与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。解8. 在两个串联的全混流反应器中进行一级反应,进出口条件一定时,试证明当反应器大小相同时,两个反应器的总容积最小。证9. 半衰期为20小时的放射性流体以0.1m3hr-1的流量通过两个串联的40m3全混流反应器后,其放射性衰减了多少?解10. A进行平行分解反应,其速率式为 R rR=1 kmolm-3min-1A S rS=2cA kmolm-3min-1 T rT
17、=cA kmolm-3min-1其中R是所要求的目的产物,cA0=1kmolm-3。试问在下述反应器进行等温操作时,预计最大的cR为多少?(1)全混流反应器;(2)平推流反应器。解低浓度操作对生成目的产物R有利,对全混流反应器,可在极低的浓度下操作对平推流反应器,则尽量使其转化率提高。11. 在0时纯气相组分A在一恒容间歇反应器依以下计量方程反应:A2.5P,实验测得如下数据:时间/s02468101214pA/MPa0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.0280.020求此反应的动力学方程式。解当t时,pAe=0.2故为可逆反应,设此反应为一级可逆反应,则以(
18、-ln(pA-pAe)对t作图t02468101214pA0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.028PA-pAe0.080.060.04250.0310.0220.0160.0120.008-ln(pA-pAe)2.5262.8133.1583.4743.8174.1354.4234.82812. 气相反应A+B=R的动力学方程为(rA)=k(pApBpR/KP),式中 请确定最佳反应温度与转化率之间的关系。解13. 某液相一级不可逆反应在体积为VR的全混釜中进行,如果将出口物料的一半进行循环,新鲜物料相应也减少一半,产品物料的转化率和产物生成速率有什么变化?
19、解全混流循环时出口物料一半与等量的xA=0的物料混合,xA0=0.5xAf。与简单地把处理量减半等效。14. 有一自催化反应AR, 动力学方程为 rA=0.001cAcR kmolm-3s-1。 要求反应在4个0.1m3的全混流反应器中进行,反应物初始浓度cA0=10kmolm-3,cR0=0,处理量为5.4 m3hr-1。如何排列这4个反应器(串联、并联、或串并联结合)才能获得最大的最终转化率?最大的转化率是多少?解15. 一级不可逆连串反应,k1=0.25hr-1,k2=0.05hr-1,进料流率V0为1m3hr-1,cA0=1kmolm-3,cB0=cC0=0。试求:采用两个VR=1m3
20、的全混流反应器串联时,反应器出口产物B的浓度。解16. 某气相基元反应:A+2BP已知初始浓度之比cA0:cB0=1:3,求的关系式。解17. 已知常压气相反应动力学方程为,试用下列三种方式表达动力学方程:(1)组分分压;(2)组分摩尔分率;(3)组分初始浓度和A的转化率。解18. 高温下二氧化氮的分解为二级不可逆反应。在平推流反应器中101.3kPa下627.2K时等温分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1,处理气量为120m3hr-1(标准状态),使NO2分解70%。当(1)不考虑体积变化;(2)考虑体积变化时,求反应器的体积。解(1) 恒容过程(2) 变容过程19. 均相气相反应A3
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