化學(xué)反應(yīng)工課后答案

1、第一章習(xí)題1 化學(xué)反應(yīng)式與化學(xué)計(jì)量方程有何異同?化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)與化學(xué)計(jì)量方程中的計(jì)量系數(shù)有何關(guān)系?答：化學(xué)反應(yīng)式中計(jì)量系數(shù)恒為正值，化學(xué)計(jì)量方程中反應(yīng)物的計(jì)量系數(shù)與化學(xué)反應(yīng)式中數(shù)值相同，符號(hào)相反，對(duì)于產(chǎn)物二者相同。2 何謂基元反應(yīng)?基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)的含義是什么?何謂非基元反應(yīng)?非基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程中活化能與反應(yīng)級(jí)數(shù)含義是什么?答：如果反應(yīng)物嚴(yán)格按照化學(xué)反應(yīng)式一步直接轉(zhuǎn)化生成產(chǎn)物，該反應(yīng)是基元反應(yīng)。基元反應(yīng)符合質(zhì)量作用定律。基元反應(yīng)的活化能指1摩爾活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值?；磻?yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是該反應(yīng)的反應(yīng)分子數(shù)。一切不符合質(zhì)量作用定律的反應(yīng)都是

2、非基元反應(yīng)。非基元反應(yīng)的活化能沒(méi)有明確的物理意義，僅決定了反應(yīng)速率對(duì)溫度的敏感程度。非基元反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)是經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，決定了反應(yīng)速率對(duì)反應(yīng)物濃度的敏感程度。3 若將反應(yīng)速率寫成，有什么條件?答：化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行不引起物系體積的變化，即恒容。4 為什么均相液相反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程實(shí)驗(yàn)測(cè)定采用間歇反應(yīng)器?答：在間歇反應(yīng)器中可以直接得到反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)程度的關(guān)系，而這種關(guān)系僅是動(dòng)力學(xué)方程的直接積分，與反應(yīng)器大小和投料量無(wú)關(guān)。5 現(xiàn)有如下基元反應(yīng)過(guò)程，請(qǐng)寫出各組分生成速率與濃度之間關(guān)系。 (1)A+2BCA+C D (2)A+2BCB+CDC+DE (3)2A+2BCA+CD解(1) (2) (3) 6 氣

3、相基元反應(yīng)A+2B2P在30和常壓下的反應(yīng)速率常數(shù)kc=2.65104m6kmol-2s-1?，F(xiàn)以氣相分壓來(lái)表示速率方程，即(rA)=kPpApB2，求kP=?（假定氣體為理想氣體）解7 有一反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)8min后，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉80，經(jīng)過(guò)18min后，轉(zhuǎn)化掉90，求表達(dá)此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解8 反應(yīng)A(g) +B(l)C(l)氣相反應(yīng)物A被B的水溶液吸收，吸收后A與B生成C。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：rA=kcAcB。由于反應(yīng)物B在水中的濃度遠(yuǎn)大于A，在反應(yīng)過(guò)程中可視為不變，而反應(yīng)物A溶解于水的速率極快，以至于A在水中的濃度恒為其飽和溶解度。試求此反應(yīng)器中液相體積為5m3時(shí)C的生成量

4、。已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmolm-3，cA飽和=0.02 kmolm-3，水溶液流量為10m3hr-1。解9 反應(yīng)，在恒容下用等摩爾H2，NO進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得以下數(shù)據(jù)總壓/MPa0.02720.03260.03810.04350.0543半衰期/s26518613510467求此反應(yīng)的級(jí)數(shù)。解Y = A + B * XParameterValueErrorA1.602170.01399B-1.99460.0083410 考慮反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程為試推導(dǎo)在恒容下以總壓表示的動(dòng)力學(xué)方程。解11 A和B在水溶液中進(jìn)行反應(yīng)，在25下測(cè)得下列數(shù)據(jù)，試確定該反應(yīng)反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)速度常數(shù)

5、。時(shí)間/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可知反應(yīng)應(yīng)按下列方式A+B產(chǎn)物進(jìn)行設(shè)為二級(jí)反應(yīng)積分得：以對(duì)t作圖若為直線，則假設(shè)正確。由cA0-cB0=42.4整理得數(shù)據(jù)如下：t116.8319.8490.2913.811880.01320.01490.01690.02160.0247線性回歸：Y = A + B * XParameterValueErrorA0.011661.84643E-4B1.08978E-52.55927E-

6、712 丁烷在700，總壓為0.3MPa的條件下熱分解反應(yīng)：C4H102C2H4+H2(A) (R) (S)起始時(shí)丁烷為116kg，當(dāng)轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)，求此時(shí)。解13 某二級(jí)液相不可逆反應(yīng)在初始濃度為5kmolm-3時(shí)，反應(yīng)到某一濃度需要285s，初始濃度為1kmolm-3時(shí)，反應(yīng)到同一濃度需要283s，那么，從初始濃度為5kmolm-3反應(yīng)到1kmolm-3需要多長(zhǎng)時(shí)間？解t=285-283=2s反應(yīng)前后體積不變的不可逆反應(yīng)，已經(jīng)反應(yīng)掉的部分不會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生任何影響。反應(yīng)過(guò)程中的任意時(shí)刻都可以作為初始時(shí)刻和終了時(shí)刻。14 在間歇攪拌槽式反應(yīng)器中，用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為：反應(yīng)物配比為

7、：A(mol):B(mol)=1:4.97，反應(yīng)在100下進(jìn)行。A轉(zhuǎn)化率達(dá)50需要時(shí)間為24.6min，輔助生產(chǎn)時(shí)間為30min，每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯（忽略分離損失），計(jì)算反應(yīng)器體積?；旌衔锩芏葹?50kgm-3，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75。解15 反應(yīng)(CH3CO)2O+H2O2CH3COOH在間歇反應(yīng)器中15下進(jìn)行。已知一次加入反應(yīng)物料50kg，其中(CH3CO)2O的濃度為216molm-3，物料密度為1050kgm-3。反應(yīng)為擬一級(jí)反應(yīng)，速率常數(shù)為k=5.708107 exp(E/RT) min-1，E=49.82kJmol-1。求xA=0.8時(shí)，在等溫操作下的反應(yīng)時(shí)間。解16

8、在100下，純A在恒容間歇反應(yīng)器中發(fā)生下列氣相反應(yīng):2AR+SA組分分壓與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)下表:t/sec020406080100120140160pA /MPa0.10.0960.0800.0560.0320.0180.0080.0040.002試求在100，0.1MPa下，進(jìn)口物流中包含20%惰性物，A組份流量為100molhr-1，達(dá)到95%轉(zhuǎn)化率所需的平推流反應(yīng)器的體積。解17 間歇操作的液相反應(yīng)AR，反應(yīng)速率測(cè)定結(jié)果列于下表。欲使反應(yīng)物濃度由cA0=1.3kmolm-3降到0.3 kmolm-3需多少時(shí)間?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解圖解積分0.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0103.332.01.672.04.01016.720.022.223.818 一氣相分解反應(yīng)在常壓間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，在400K和500K溫度下，其反應(yīng)速率均可表達(dá)為rA=23pA2 molm-3s-1，式中pA 的單位為kPa。求該反應(yīng)的活化能。解19 有如下化學(xué)反應(yīng)CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4(I) (A) (B) (P) (I)在反應(yīng)前各組分的摩爾數(shù)分別為nI0=1mol；nA0=2m

10、ol；nB0=3mol；nP0=0，求化學(xué)膨脹率（用兩種方法）。解方法一方法二20 在555K及0.3MPa下，在平推流管式反應(yīng)器中進(jìn)行氣相反應(yīng)AP，已知進(jìn)料中含A 30%（摩爾分?jǐn)?shù)），其余為惰性物料，加料流量為6.3mols-1，動(dòng)力學(xué)方程式為rA=0.27cA molm-3s-1為了達(dá)到95轉(zhuǎn)化率，試求：(1) 所需空速為多少?(2) 反應(yīng)器容積大小?解21 液相一級(jí)不可逆分解反應(yīng)AB+C于常溫下在一個(gè)2m3全混流反應(yīng)器（CSTR，MFR，連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器）中等溫進(jìn)行。進(jìn)口反應(yīng)物濃度為1 kmolm-3，體積流量為1m3hr-1，出口轉(zhuǎn)化率為80%。因后續(xù)工段設(shè)備故障，出口物流中斷。操作

11、人員為此緊急停止反應(yīng)器進(jìn)料。半小時(shí)后故障排除，生產(chǎn)恢復(fù)。試計(jì)算生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)反應(yīng)器內(nèi)物料的轉(zhuǎn)化率為多少？解22 第17題中的反應(yīng)，(1)當(dāng)cA0=1.2kmolm-3，進(jìn)料速率1kmolAhr-1，轉(zhuǎn)化率為75；(2) cA0=1.3kmolm-3，進(jìn)料速率2kmolAhr-1，出口為0.3kmolm-3；(3) cA0=2.4kmolm-3，出口仍然為0.3kmolm-3，進(jìn)料速率為1kmolAhr-1。計(jì)算三種情況下，用全混流反應(yīng)器的體積各為多少?解23 反應(yīng)A+BR+S，已知VR=0.001m3，物料進(jìn)料速率V0=0.510-3m3min-1，cA0=cB0=5molm3，動(dòng)力學(xué)方程式為rA

12、=kcAcB，其中k=100m3kmol-1min-1。求：(1)反應(yīng)在平推流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)出口轉(zhuǎn)化率為多少？(2)欲用全混流反應(yīng)器得到相同的出口轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)器體積應(yīng)多大?(3)若全混流反應(yīng)器體積VR=0.001m3，可達(dá)到的轉(zhuǎn)化率為多少?已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmolm-3，cA飽和=0.02kmolm-3，水溶液流量為10m3hr-1。解平推流(1) 全混流(2)24 在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行如下等溫液相反應(yīng)：2ABCrc=k1cA2AB2DrD=2k2cAcBA的初始濃度為2.5kmolm-3，A和C的出口濃度分別為0.45和0.75kmolm-3。假設(shè)進(jìn)口物流中不含

13、B、C、D，反應(yīng)時(shí)間為1250sec，求：1. 出口物流中B和D的濃度；2. k1和k2 。解第二章習(xí)題1. 動(dòng)力學(xué)方程的實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，有采用循環(huán)反應(yīng)器的，為什么?答：循環(huán)反應(yīng)器行為與全混流反應(yīng)器相同，可以得到反應(yīng)速率的點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且反應(yīng)器進(jìn)出口濃度差比較大，對(duì)分析精度要求不很高。2. 為什么可逆吸熱反應(yīng)宜選平推流反應(yīng)器且在高溫下操作，而可逆放熱反應(yīng)卻不是?根據(jù)可逆放熱反應(yīng)的特點(diǎn)，試問(wèn)選用何種類型反應(yīng)器適宜?為什么?答：可逆吸熱反應(yīng)的反應(yīng)速率與化學(xué)平衡都隨溫度的升高而升高，高溫下操作對(duì)二者都有利。可逆放熱反應(yīng)的化學(xué)平衡隨溫度的升高向反應(yīng)物方向移動(dòng)，對(duì)達(dá)到高轉(zhuǎn)化率不利。對(duì)此類反應(yīng)，可選用多段絕熱反應(yīng)

14、器或換熱條件較好的管式反應(yīng)器。3. 一級(jí)反應(yīng)AP，在一體積為VP的平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，已知進(jìn)料溫度為150，活化能為84kJmol-1，如改用全混流反應(yīng)器，其所需體積設(shè)為Vm，則Vm/Vp應(yīng)有何關(guān)系?當(dāng)轉(zhuǎn)化率為0.6時(shí)，如果使Vm=Vp，反應(yīng)溫度應(yīng)如何變化?如反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為n=2，1/2，1時(shí)，全混流反應(yīng)器的體積將怎樣改變？解：4. 在體積VR=0.12m3的全混流反應(yīng)器中，進(jìn)行反應(yīng)，式中k1=7m3kmol-1min-1，k2=3m3kmol-1min-1，兩種物料以等體積加入反應(yīng)器中，一種含2.8kmolAm-3，另一種含1.6kmolAm-3。設(shè)系統(tǒng)密度不變，當(dāng)B的轉(zhuǎn)化率為75時(shí)，求每種

15、物料的流量。解5. 可逆一級(jí)液相反應(yīng)，已知；當(dāng)此反應(yīng)在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行，經(jīng)過(guò)8min后，A的轉(zhuǎn)化率為33.3%，而平衡轉(zhuǎn)化率是66.7%，求此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解6. 平行液相反應(yīng)AP rP=1AR rR=2cAAS rS=cA2已知cA0=2kmolm-3，cAf=0.2kmolm-3，求下列反應(yīng)器中，cP最大為多少?(1) 平推流反應(yīng)器；(2)全混流反應(yīng)器；(3)兩相同體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)，cA1=1 kmolm-3。解7. 自催化反應(yīng)A+P2P的速率方程為：rA=kcAcP，k=l m3kmol-1min-1，原料組成為含A 13%，含P 1%（摩爾百分?jǐn)?shù)），且cA0+cP0= l

16、kmolm-3，出口流中cP= 0.9 kmolm-3，計(jì)算采用下列各種反應(yīng)器時(shí)的空間時(shí)間(=VR/V0)。(1)平推流反應(yīng)器；(2)全混流反應(yīng)器；(3)平推流與全混流反應(yīng)器的最佳組合；(4)全混流反應(yīng)器與一分離器的最佳組合。解8. 在兩個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)，進(jìn)出口條件一定時(shí)，試證明當(dāng)反應(yīng)器大小相同時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器的總?cè)莘e最小。證9. 半衰期為20小時(shí)的放射性流體以0.1m3hr-1的流量通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的40m3全混流反應(yīng)器后，其放射性衰減了多少？解10. A進(jìn)行平行分解反應(yīng)，其速率式為 R rR=1 kmolm-3min-1A S rS=2cA kmolm-3min-1 T rT=

17、cA kmolm-3min-1其中R是所要求的目的產(chǎn)物，cA0=1kmolm-3。試問(wèn)在下述反應(yīng)器進(jìn)行等溫操作時(shí)，預(yù)計(jì)最大的cR為多少?(1)全混流反應(yīng)器；(2)平推流反應(yīng)器。解低濃度操作對(duì)生成目的產(chǎn)物R有利，對(duì)全混流反應(yīng)器，可在極低的濃度下操作對(duì)平推流反應(yīng)器，則盡量使其轉(zhuǎn)化率提高。11. 在0時(shí)純氣相組分A在一恒容間歇反應(yīng)器依以下計(jì)量方程反應(yīng)：A2.5P，實(shí)驗(yàn)測(cè)得如下數(shù)據(jù)：時(shí)間/s02468101214pA/MPa0.10.080.06250.0510.0420.0360.0320.0280.020求此反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式。解當(dāng)t時(shí)，pAe=0.2故為可逆反應(yīng)，設(shè)此反應(yīng)為一級(jí)可逆反應(yīng)，則以(-

18、ln(pA-pAe)對(duì)t作圖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. 氣相反應(yīng)A+B=R的動(dòng)力學(xué)方程為(rA)=k(pApBpR/KP)，式中 請(qǐng)確定最佳反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。解13. 某液相一級(jí)不可逆反應(yīng)在體積為VR的全混釜中進(jìn)行，如果將出口物料的一半進(jìn)行循環(huán)，新鮮物料相應(yīng)也減少一半，產(chǎn)品物料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物生成速率有什么變化？解

19、全混流循環(huán)時(shí)出口物料一半與等量的xA=0的物料混合，xA0=0.5xAf。與簡(jiǎn)單地把處理量減半等效。14. 有一自催化反應(yīng)AR， 動(dòng)力學(xué)方程為 rA=0.001cAcR kmolm-3s-1。 要求反應(yīng)在4個(gè)0.1m3的全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)物初始濃度cA0=10kmolm-3，cR0=0，處理量為5.4 m3hr-1。如何排列這4個(gè)反應(yīng)器（串聯(lián)、并聯(lián)、或串并聯(lián)結(jié)合）才能獲得最大的最終轉(zhuǎn)化率？最大的轉(zhuǎn)化率是多少？解15. 一級(jí)不可逆連串反應(yīng)，k1=0.25hr-1，k2=0.05hr-1，進(jìn)料流率V0為1m3hr-1，cA0=1kmolm-3，cB0=cC0=0。試求：采用兩個(gè)VR=1m3的

20、全混流反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，反應(yīng)器出口產(chǎn)物B的濃度。解16. 某氣相基元反應(yīng)：A+2BP已知初始濃度之比cA0:cB0=1:3，求的關(guān)系式。解17. 已知常壓氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為，試用下列三種方式表達(dá)動(dòng)力學(xué)方程：(1)組分分壓；(2)組分摩爾分率；(3)組分初始濃度和A的轉(zhuǎn)化率。解18. 高溫下二氧化氮的分解為二級(jí)不可逆反應(yīng)。在平推流反應(yīng)器中101.3kPa下627.2K時(shí)等溫分解。已知k=1.7m3kmol-1s-1，處理氣量為120m3hr-1（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），使NO2分解70%。當(dāng)(1)不考慮體積變化；(2)考慮體積變化時(shí)，求反應(yīng)器的體積。解(1) 恒容過(guò)程(2) 變?nèi)葸^(guò)程19. 均相氣相反應(yīng)A3P

21、，服從二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在0.5MPa、350和V0=4m3hr-1下，采用個(gè)25mm內(nèi)徑，長(zhǎng)2m的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器，能獲得60轉(zhuǎn)化率。設(shè)計(jì)一個(gè)工業(yè)平推流反應(yīng)器，當(dāng)處理量為320m3hr-1，進(jìn)料中含50%A，50%惰性物料時(shí)，在2.5MPa和350下反應(yīng)，為獲得80%的轉(zhuǎn)化率求需用25mm內(nèi)徑，長(zhǎng)2m的管子多少根?這些管子應(yīng)并聯(lián)還是串聯(lián)？解(1) 求速率常數(shù)k(2)求反應(yīng)器體積和管數(shù)管子的串并聯(lián)要從流體阻力和流型考慮，在保持平推流的前提下盡量并聯(lián)。20. 有一氣相分解反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為AR+S，反應(yīng)速率方程為rA=kcA2，反應(yīng)溫度為500。這時(shí)測(cè)得的反應(yīng)速率常數(shù)為k=0.25m3kmol-1s-

22、1。反應(yīng)在內(nèi)徑為25mm、長(zhǎng)為1m的管式反應(yīng)器中進(jìn)行，器內(nèi)壓強(qiáng)維持在101.3kPa（絕），進(jìn)料中僅含組分A，當(dāng)其轉(zhuǎn)化率為20%，空間速度為45hr-1（反應(yīng)條件下的計(jì)算值）。試求反應(yīng)條件下的平均停留時(shí)間和空間時(shí)間。解第三章習(xí)題1 有一有效容積VR=1m3，送入液體的流量為1.8m3hr-1的反應(yīng)器，現(xiàn)用脈沖示蹤法測(cè)得其出口液體中示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為：t/min01020304050607080c/kgm-3036543210求其停留時(shí)間分布規(guī)律，即F(t)，E(t)，解示蹤法求停留時(shí)間分布規(guī)律t/minc/kgm-3cF(t)E(t)tct2c000000010330.1250.0125

23、3030020690.37500.02501202400305140.58330.02081504500404180.750.01671606400503210.8750.01251507500602230.95830.00831207200701241.00.0042704900800241.0000248033200 2 對(duì)某一反應(yīng)器用階躍法測(cè)得出口處不同時(shí)間的示蹤劑質(zhì)量濃度變化關(guān)系為：t/min0246810121416c/kgm-300.050.110.20.310.430.480.500.50求其停留時(shí)間分布規(guī)律，即F(t)，E(t)，解: 階躍法求停留時(shí)間分布規(guī)律c0=0.5kgm

24、-3t/minc/kgm-3cF(t)E(t)000000020.050.050.10.050.20.440.110.160.220.060.481.9260.20.360.40.091.086.4880.310.670.620.111.7614.08100.431.10.860.122.424120.481.580.960.051.214.4140.52.081.00.020.567.84160.52.581.00007.6869.123 請(qǐng)將習(xí)題一中停留時(shí)間分布規(guī)律用對(duì)比時(shí)間作變量，求F()，E()，。解t/min01020304050607080cA/kgm-303654321000.4

25、1660.8330.6940.55560.41660.27660.139000.06250.250.47920.66670.81250.91670.97921.04 應(yīng)用習(xí)題一的反應(yīng)器，進(jìn)行A+BD反應(yīng)，已知cA0=cB0=20molm-3，動(dòng)力學(xué)方程為rA=0.005cAcB molm-3min-1，請(qǐng)用凝集流模型計(jì)算反應(yīng)器出口物料中A組分的轉(zhuǎn)化率，并求cA，cB，cD值。本題若用PFR及CSTR模型計(jì)算時(shí)，物料出口中A組分的轉(zhuǎn)化率是多少?解 凝集流模型：時(shí)間t/minc/kgm-3F(t)0000001030.1250.50.1250.06252060.3750.6670.250.166753050.58330.750.20830.1562254040.750.80.16670.133365030.8750.8330.1250.1041256020.95830.8570.08330.07138817011.00.8750.04170.03648758001.00.88900240.7308356 PFR模型計(jì)算時(shí)：CSTR模型計(jì)算5 在習(xí)題一的反應(yīng)器中進(jìn)行AD反應(yīng)，已知cA0=25molm-3，動(dòng)力學(xué)方程