化学反应工程习题第三章

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第三章 理想反应器

8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______

9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为______________ 10.全混流反应器的返混_______ 11.平推流反应器的返混为_______

14.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合,这类反应器为_______的平推流反应器。

15.对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时为_______反应器,而当β→∞时则相当于_______反应器。

16. 对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时反应器内返混为_______,而当β→∞时则反应器内返混为_______

18. 对于反应级数n0的反应,为降低反应器容积,应选用_______反应器为宜。 19. 对于反应级数n0的反应,为降低反应器容积,应选用_______反应器为宜。 23.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间

t0不包括下列哪一项_______

A. 加料时间 B. 反应时间 C. 物料冷却时间 D. 清洗釜所用时间

2

rA0.01CAmol/ls24.在间歇反应器中进行等温二级反应A BCA01mol/l时,

求反应至CA0.01mol/l所需时间t=_______秒。

A. 8500 B. 8900 C. 9000 D. 9900

C1mol/l时,rA0.01CAmol/ls25.在间歇反应器中进行等温一级反应A BA0

求反应至CA0.01mol/l所需时间t=_______秒。

A. 400 B. 460 C. 500 D. 560

30.全混流釜式反应器最多可能有_______个定常态操作点。

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 31.全混流反应器中有_______个稳定的定常态操作点。

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 33.一级不可逆液相反应A

2RCA02.30kmol/m 出口转化率xA

3

0.7,每批

操作时间tt02.06h,装置的生产能力为50000 kg产物R/天,MR=60,则反应器的体积V_______mC

A. 19.6 B. 20.2 C. 22.2 D. 23.4

P()

A

3

39.对于单一反应组分的平行反应大,则最适合的反应器为_______

S(),其瞬间收率PCA增大而单调增

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A. 平推流反应器 B. 全混流反应器

C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器

P()

A

40. 对于单一反应组分的平行反应

S()其瞬间收率PCA增大而单调下

降,则最适合的反应器为_______

A. 平推流反应器 B. 全混流反应器

C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 43.简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系? 答:

2

rk2CAE2,当E1E2时如何选择操作温度可以提rkCR1A45.对于反应,E1S

高产物的收率?

答:

3

46.在间歇釜中一级不可逆反应,液相反应A 2RrAkCAkmol/m·hk=9.52×

9-13

10exp[-7448.4/T] hCA02.3 kmol/mMR60CR00,若转化率xA0.7,装置

的生产能力为50000 kg产物R/天。求50℃等温操作所需反应器的有效容积?(用于非生产性操作时间t0=0.75 h 解:反应终了时R的浓度为

CR2CA0xA3.22(kmol/m3)

tCA0

dxA1xAdxA11

ln

0kCk01xAk1xA A

7448.4

k9.52109exp0.9227350

xA

t

11

ln1.31(h)0.9210.7

VCRMR50000

tt024 500002.06V22.2(m3)

243.2260

47.

CH2 = CHCH = CH2(A) + CH2 = CH

COOCH3(B)

COOCH3(C)



3

混流反应器中进行,以AlCl3为催化剂,反应温度20℃,液料的体积流速为0.5 m/h,丁二

33

烯和丙烯酸甲酯的初始浓度分别为CA096.5 mol/mCB0184 mol/m,催化剂的浓度为

CD6.63 mol/m3。速率方程rAkCACD,式中k=1.15×10-3 m3/mol·ks,若要求丁二

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烯转化率为40%。求:反应器的体积V

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解: A + B C

rA

dCA

kCACDkCA0(1xA)CDdt



CA0xACA0xAxA

rAkCA0(1xA)CDk(1xA)CD

对于全混流反应器





0.4

87.4(ks)24.28(h)

1.15103(10.4)6.63 V

v0 v00.5m3/h



3

Vv024.280.512.14m

在分批式反应器内的反应时间为

tCA0

xA0

dxA1

rAkCD



0.4

0

dxA

67(ks)1xA





3

48. 在全混流反应器中一级不可逆反应,液相反应A 2RrAkCAkmol/m·hk=9.52

9-13

×10exp[-7448.4/T] hCA02.3 kmol/mMR60CR00,若转化率xA0.7,装

置的生产能力为50000 kg产物R/天。50℃等温操作所需反应器的有效容积和它的容积效?(用于非生产性操作时间t0=0.75 h 解:1)进料速度v0

CR2CA0xA

v0CR2CA0v0xA

50000

24MR

CA02.3,xA0.7,MR60

v050000/(246022.30.7)10.78m3/h

2)反应器有效容积V



xAVCA0xA

v0kCAk(1xA)

V

v0xA

27.34m3

k(1xA)

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(3)

tCA0

xA

0

dxA1xAdxA11

ln

kCAk01xAk1xA

7448.4

k9.52109exp0.9227350 t

11

ln1.31(h)0.9210.7



t





1.13

0.5162.54

3

2

49. 现有一有效容积为0.75m的搅拌釜反应器,其内设置有换热面积为5.0m的冷却盘管。

AR

5525.91

k1.0788109exp(h)T,反应热(Hr)20921J/molA,原料液中A

浓度

CA00.2mol/l,但不含反应产物R。此原料液的密度ρ=1050g/l;定压比热

3

v3m/h,反应器出口的反应液中CP2.929J/g·℃)0。要求原料液的进料流率为

CA0.04mol/l。总传热系数U=209.2KJ/m2·h·℃)。所用的冷却介质的温度为25℃。

试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T0

解:1)计算反应温度T

CA1



CA01k

(k

CA0

1)CA



(

0.220.75

1)()180.043

根据

k1.0788109exp[

5525.9

]T

T308.6K

T0T

2

V(rA)(Hr)UA(TTm)]

v0cP

180.040.7520921209.25(308.6298.16)

297.4K

310502.929

2CH3COOH(C)乙酸酐发生水解,反应温度25℃,k=0.1556

3

T0308.6

50. (CH3CO)2 (A) + H2O(B)

-1

min,采用三个等体积的串联全混流釜进行反应,每个釜体积为1800 cm,求使乙酸酐的总转化率为60%时,进料速度v0

解:初始浓度为CA0,离开第一釜为CA1,依次为CA2CA3

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1

CA0CA1

(rA)1 (rA)1kCA1 CA0CA1C11

A1xA11

kCA1CA01k11k1

1



CA21



对第二釜CA11k2

对于等体积釜串联12

CA211

x1A2

CA0(1k)2(1k)2



xA31

同理

1

(1k)3



∴τ=2.3min 1800

782.6(cm3/min)

2.3

51.

v0

V

k0.92(h1),010m3h,xA0.9,试计算N123的反应有效容积,如不考虑非

生产性操作时间的条件下分批式反应器的有效容积。

xA,N1

解:利用

1

(1ki)N

N() 1 2 3

Vm 97.8 47.0 37.6 若采用分批式

3

1111lnln2.503hk10.9210.9At

t





VB

,其中N1V

97.8

9.78h10 2.503

VB97.825.03m3

9.78



52.应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应,假定各釜的容积和操作温度都相同,已知此时的速率常数k=0.92h,原料液的进料速度v0=10m/h,要求最终

-1

3

转化率xA0.9,试求V1V2和总容积V

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解:对于一级不可逆反应应有

1()

rA111

xA1xA1kCA0(1xA1)kCA0(1xA1)2

(1

)rA,i

1xA,i1

11

rrA,i1A,i

代入

xA,i



xA,i

11

2

xA1xA0

kCA0(1xA1)11



kCA0(1xA2)kCA0(1xA1)

2

整理得 xA12xA1xA20

xA20.9 xA10.6838



1

xA10.6838

2.35(h)

k(1xA1)0.92(10.6838)

V1v0123.5(m3)

2

xA2xA10.90.6838

2.35(h)

k(1xA2)0.92(10.9)

V2v0223.5(m3)

3

总容积VV1V247(m)

53.

k0.92(m3kmol1h1),CA02.30kmolm3,v010m3h,要求出口x=0.9

计算该操作A

最优容积比(V1V2)和总容积V

1

)rA112

[]2223

xxkC(1x)kC(1x)A1A1A0A1A0A1解:

(

(

代入

1

)rA,1

xA,1



111

[]

xA,1xA,0rA,2rA,1



2kCA0(1xA,1)3

3

2

2



111[]2222xA,1kCA0(1xA,1)kCA0(1xA,1)

xA13xA13.01xA10.990

xA10.741



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1

xA1xA00.741

5.22h22

kCA0(1xA1)1.922.3(10.741)

2





xA2xA10.90.741

7.51h22

kCA0(1xA2)0.922.3(10.9)

V1V2

总容积

15.22

0.69527.51

VV1V2v0

3

V10(7.515.22)127.3m

54. 应用管径为D=12.6cm的管式反应器来进行一级不可逆的气体A的热分解反应,其计量

9-1

方程为A=R+S速率方程为rAkCAk=7.8×10exp[-19220/T](s),原料为纯气体A,

0

反应压力P=5atm下恒压反应,T=500CxA0.9,FA0=1.55kmol/h,求所需反应器的管长L,

停留时间t,空时τ(理想气体) 解:反应气体的进料体积流速为:

v0

FA0RT1.550.082773

19.66(m3/h)P5

反应流体在管内的体积流速为:

FRT

F0(1AyA0xA)RT/PP

1RT211AP 1此处:F0FA0(纯气体)yA01.0CA0v

vFA0(1xA)/CA0

CA

FAFA0(1xA)CA0(1xA)CA0

vFA0(1xA)(1xA)





V1xA(1xA)dxAv0k0(1xA)

[2ln



1k

1

xA]29.88(s)0.0083(h)1xA



4v045.4610329.884V

L13.0(m)222

DD3.14(0.126)

t

1xAdxA11

ln18.57(s)

k01xAk1xA



55.液相原料中反应物A进入平推流反应器中进行2AR的反应,已知

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CA01moll,V2l,rA0.05CAmolls

v求:1)当出口浓度CA0.5moll时的进料流0

2)当进料流量

2

v00.5lmin时出口浓度CAf

xAdxVVA

0rFCA0v0A 解:1A0

CA0



2

xA

0

CA0dxAdCA111

()20s2CArA0.05CACA00.05CA



111V260()240s0.05CACA0v00.5

111212113CACA0CA

1

0.077moll13



56. 自催化反应A + R 2R其速率方程为:rAkCACR70℃下等温地进行此反应,

333在此温度下k=1.512 m/kmol·h其它数据如下:CA00.99 kmol/mCR00.01 kmol/m

v010 m3/h;要求反应的转化率xA0.99

试求:1)在全混流反应器中反应所需的容积;

2)在平推流反应器中反应所需的容积。

a

CR00.01

0.0101CA00.99

解:

CACA0(1xA) CRCR0CA0xACA0(axA)

2rkCAA0(1xA)(axA)

1)全混流反应器所需的容积

V

v0xA100.99

661(m3)

kCA0(1xA)(axA)1.5120.99(10.99)(0.01010.99)

2)平推流反应器所需的容积

V

v0kCA0



xA

0

vdxA

0

(1xA)(axA)kCA0



xA

0

111

dxA

a11xAaxA

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V

v01axA10

ln100ln1.0001lnln

kCA0(a1)1xAa1.5120.991.0101

V60.8(m3)

57. (A) (P) (S)

k3C6H4Cl2k1C6H5ClC6H6

dCAdCP

k1CAk1CAk2CPdt反应速度dt,在恒温恒容下求(a)平推流(b)全混流,



1

SP,其中k11.0(h1),k20.5(h),Vv01(h),CP0CS00,CA01mol/l

:(a)

CACA0exp[k1]0.368mol/l

CP

k1CA0

1

k1k2(ek2ek1)=10.5(e0.5e1.0)=0.477mol/

CSCA0(CACP)1(0.3680.477)=0.155mol/l

SP

CP0.477

CS=0.155=3.08

(b)

v0(CA0CA)=K1CAV

CA

CA0CA0

1k1=1K1 (K1k1)

v0CPV(k1CAk2CP)

CP



k1CA0k1CA

1k2=1k11k2

CA=0.5mol/l CP=0.333mol/l CS=0.167mol/l

SP

CP

CS=2.0

58. (A) (P) (S)

k3C6H4Cl2k1C6H5ClC6H6

dCAdCP

k1CAk1CAk2CPdt反应速度dt,在恒温恒容下求等容积的两釜串联全混



流反应器内进行这一反应时,求目的产物P的选择性

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1

SP,其中k11.0(h1),k20.5(h),Vv01(h),CP0CS00,CA01mol/l

解:等容积釜串联应有12 121/20.5h

对第二个全混流反应器作物料衡算

V0(CA1CA2)k1CA2V2



CA2

对于P:

CA0CA1

1k12=(1K1)2 K1k11k120.5



V0(CA1CA2)V2(k1CA2k2CP2)



CP2



K1CA0K1CA0

(1K1)2(1K2)+(1K1)(1K2)2 K2k220.25

CA2

1

(10.5)2=0.444mol/l

CP2





0.50.5

(10.5)2(10.25)+(10.5)(10.25)2

CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/l

CP20.391

CS2=0.165=2.37

59.醋酸甲酯的水解反应如下:CH3COOCH3 + H2O CH3COOH +CH3OH,产物CH3COOH在反应中起催化剂的作用,已知反应速度与醋酸甲酯和醋酸的浓度积成正比。

3

1 在间歇反应器中进行上述反应。醋酸甲酯和醋酸的初始浓度分别为50050mol/m

实验测得当反应时间为5400s时,醋酸甲酯的转化率为70%,求反应速率数和最大反应速度。5分) 2 如果反应改在连续搅拌釜中进行,A=0.8时停留时间应为多少。 3 如果采用管式流动反应器,A=0.8时停留时间。 解: A + B C + D 1A=

rAkCACC

CC0ddCA2

(1)() CA0AkCA0(1A)(CC0CA0A)kCA0AA

CA0dtdt

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kCA0dt

dA

(1A)(A

CC0

)CA0

kCA0t

1C1C0

CA0

CC0ACA0

ln

CC0CC0ACCA0A0





10.70.1

kln1.106106m3/mols5005400(10.1)0.10.10.7

rA1.1061065002(1A)(A

A求导

CC02

)0.2765(A0.9A1)CA0



d(rA)

0.2765(2A0.9)0 A0.45 dA

(rA)max8.364102mol/m3s

2

CA0CACA0ACA0A

8.037103s 2

rArAkCA0(1A)(ACC0/CA0)

3)对于PFR CA0



A

0

AdAdA

CA020rAkCA0(1A)(ACC0/CA0)





A1113

d6.25810sA0kCA0(1CC0/CA0)1AACC0/CA0



60.在一定的反应温度下A发生下述平行反应:

3K1

AR 12.0CA(kmol/mh)

2AS

K2

2

20.2CA(kmol/m3h)



3

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10kmol/m

在反应器出口A的转化率为80%。反应在连续搅拌釜中进行时,A转化为R的选择性、R收率以及反应物的停留时间。 解:1)使用连续搅拌釜

rAr12r2

CA0CA(rA)(r12r2) CRCR0r1

CR2CA1

2

CA0CA2CA0.4CA10.2CA

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CR



CA0CACA0A



10.2CA10.2(CA0CA0A)

3

C5.71kmol/m0.8RA 时,有

2

(CA0CA)0.2CA3

CS1.15kmol/m2

2CA0.4CA



SR



CR5.71

4.965CS1.15 CRCR5.71

0.714

CA0CACA0A100.8

R



V恒定,停留时间与空时相等





K1

CRCR05.71

1.43hr122

P()

2

rsk2CArA(k1k2CA)CArPk1CAA61. 已知 的反应速率式分别为:

且在反应的操作温度下k1=1.0k2/k11.5CA05mol/lCP0CS00,要求反应流体的进料速率为

K2S()

v05 m3/h,出口转化率xA0.9。试求用单一的全混流反应器在等温下进

行此反应时所能获得的产物P的浓度CP以及所需的反应容积V

(P)m

rPk1CA

2

rAk1CAk2CA



解:

(P)mCP

CP

CA0CA

(CA0CA)k11(50.5)

2.57(mol/l)

(k1k2CA)11.50.5

2

v0(CA0CA)V(rA)V(k1CAk2CA)

V

v0(CA0CA)54.5

25.7(m3)22

k1CAk2CA0.51.50.5

62.环氧乙烷在450℃的气相分解反应如下:C2H4Og)→ CH4g + COg)已知在此反应

-1

温度下反应的速率常数为0.0212min,反应在恒温恒容反应器中完成,初始时原料为纯的

5

环氧乙烷,初始压力为2.026×10Pa,试求在反应时间为50min时反应器的总压力。

-1

解:由k=0.0212min可知该反应为一级反应

PA

expktPA0



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t时反应物分压为PA

C2H4Og)→ CH4g + COg PA0 0 0 PA PA0-PA PA0-PA

总压

PtPA2(PA0PA)

2PA0PtPt

exp(kt)2exp(kt)PPA0A0

t=50min

PtPA0[2exp(kt)]3.35105Pa

63.醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水,而副反应生成甲烷和二氧化碳:

k1k2

CH3COOHCH2COH2O CH3COOHCH4CO2

11

k4.65s,k3.74s12已知在916℃时,试计算:

1 99%的醋酸反应掉的时间;

2 在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。

解:设在时间t时乙烯酮和甲烷的浓度分别为xy,初始为

CA0,则

dx

k1(CA0xy)dt dy

k2(CA0xy)dt

d(xy)

(k1k2)(CA0xy)dt相加得 d(xy)

(k1k2)dt

C(xy)将其积分A0

ln



CA0

(k1k2)t

CA0(xy)

1 当转化率为99%

xy0.99CA0

t

11ln0.549s

4.653.7410.99

xk14.65yk3.74 22

x0.549CA0 y0.441CA0

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S

0.549CA0

55.4%

0.441CA0



64.1000K于恒温恒压反应器中进行下述分解反应:

RCH2OH(g)RCHO(g)H2(g)

反应速率常数0.082 l/mol·min,初始时含纯的RCH2OH,其初始压力为2.026×10Pa,求 5

1 20%RCH2OH分解所需时间; 2 RCH2OH的浓度降低20%所需的时间。

解: RCH2OH(g)RCHO(g)H2(g) A B C t=0 nA0 0 0 t=t nA0-x x x

nnA0x

k可知该反应为二级反应

dxkC2

n2A

VdtAkV2

V

nRT

理想气体

P

dxk(nA0x)2dt

(nA0x)RT/P

(nA0x)dxkPdt



(n2

A0x)RT nA0(nA0x)2x

(nA0x)2dxtkPdt将其积分



x

0

0RT t

RT2xxkP

nln(1)A0xnA0

x

20%nA0,带入得t=138min

nA0

0.8CnA0x0.8nA0对于VA0

,应有(nA0

x)RT/PnA0RT/P

x

nA0



9,带入得t=66.1min 可复制、编制,期待你的好评与关注!












65. 等温间歇反应器反应时间与反应物浓度的关系在间歇反应器中进行等温二级反应

2

AB,rA0.01CAmol/(ls)CA01mol/l时,求反应至CA0.01mol/l所需时

间。

:

rA

dCA2

0.01CAdt

1111



0.01tCACA00.011

t=9900s 66. 对于aA + bB cC反应,以浓度何?

Ci,Pi表示速率式中常数kC,kP,则其二者关系如

解: 理想气体

V

nRT

P

PAaPBb

k()()k(RT)(ab)ababCrkCCPAPB CABCRTRT A

ab

rkPPB APA

(ab)k(RT)kP C

P()

2

CA02.0mol/lrCr2CSAPA67.平行反应 ,其中,已知S()

A

CP0CA00,求在平推流反应器中的CP,max

P

解:

rPdCP2



rA2CAdCA

2

dCA

2CA



对上式进行积分得

CP

CA

CA0

CA0时,产物P的浓度最大



CP,max

2

0

2

dCA2ln21.386mol/l2CA



K1

68. 一级连串反应A

P

K2

SrAk1CArPk1CAk2CP,进料流率为

v0CP0CA00,反应在恒温恒容的条件下进行,求在全混流釜式反应器中目的产物P

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的最大浓度

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CP,max





解:全混釜

CA0CACA0

CA

k1CA1k1

v0CP0v0CPVrP

对物料P作物料衡算

CPk1C(1k1)(1k2) 则有A0

dCP

0dt时,产物P有极大值

CP,max

CA0

[(K2/K1)1/21]2

69.液相反应AR在一全混釜中进行,

CA01mol/l,反应速率常数k1l/mols求:

1 平均停留时间为1S时该反应器的xA 2 A

v01l/sxA56%,求反应器的体积。



解:1

CA0xACA0xA

2

rAkCA(1xA)2

2kCCACA00 A

CAxA

114kCA0

2k

0.618mol/l



CA0CA

38%

CA0





2

VCA0CA1/22v0kCAkCA0(1xA)2

带入得2s

V2v02l

70.A + BP + Sk0.05l/mols

CA0CB01.0mol/l;求:

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1xA50%时,反应器的容积;

2)若进料流量为1l/minCA0.5mol/l;求进口料液中A的浓度。

解:1)由k0.05l/mols可知该反应为二级反应

且二者的反应按11的比例进行反应



CA0CACA0xAx

A2

rAkCACBkCA

v0xA1

2l

k(1xA)20.5

Vv0



2

xVCA0CACA0xAA2v0rAkCACBkCA

带入得120

V2v02l CA01200.050.250.52mol/l

71.4PH3 P4 + 6H23102atm

rA0.1CAmol/sl,磷化氢以200kg/h的速率在平推流反应器内反应,求转化率为80%

时所需反应器体积?

xAdxVA0rFA 解:A0

A

74

0.75y1 4 A0PA020.042mol/lRT0.082(310273)

CA0

FA0

2001000

1.634mol/s

343600

CACA0

1xA

1AyA0xA

xA0

VFA0



FA0dxA



1xA0.1CA0

0.1CA0

10.75xA



0.8

0

1.75[()0.75]dxA862l1xA





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