PAGEPAGE4工程碩士研究生《化學反應工程》練習題一、在一個體積為1m3的等溫間歇釜中，86℃下將濃度為3.2kmol/m3的過氧化氫異丙苯溶液分解以生產(chǎn)苯酚和丙酮：A→該反應為一級，反應溫度下的反應速率常數(shù)等于8×10-3S-1，最終轉(zhuǎn)化率達98.9%，設(shè)輔助操作時間為30min，其苯酚的產(chǎn)量和10kmol/h生產(chǎn)能力下的反應釜體積為多少？解：苯酚產(chǎn)量：3.2×98.9%=3.1648kmol反應時間t=CA0∫0xAfdxA/kCA2=(1/kCA0)[xAf/(1-xAf)]=[1/(8×10-3×3.2)][0.989/(1-0.989)]=0.976h總時間:t=0.976+0.5=1.476h此時生產(chǎn)能力為:3.1648/1.476=2.145kmol/h若生產(chǎn)能力為10kmol/h,則所需反應釜體積為:1×10/2.145=4.66m二、在活塞流反應器中，等溫進行下列反應：A+B→P+H,k1(目的產(chǎn)物)P+B→R+H,k2已知在反應溫度下，k2/k1=0.68,B大量過剩，對均為一級反應。試計算P的最大收率及相應A的轉(zhuǎn)化率.解：由k2/k1=0.68得:k1/k2=1.471Ymax=(k1/k2)k2/(k2-k1)=(1.471)1/(1-1.471)=0.4407=44.07%相應A的轉(zhuǎn)化率為:(xA)opt=(CA0-CAf)/CA0=(CA0-CA0e-k1τ)/CA0=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}=1-exp{-k1*[ln(k2/k1)]/(k2-k1)}=1-exp{-[ln(k2/k1)]/(k2/k1-1)}=1-exp[-(ln0.68)/(0.68-1)]=0.70=70%三、在全混流反應器中進行液相均相反應：A+B→RrR=1.6CA,kmol/m3h2A→D rD=8.2CA2 kmol/m3hCA0=2kmol/m3求：(1)A的轉(zhuǎn)化率為95%所需時間；(2)此時R的收率；(3)當初力量量為200L/min時反應釜的體積；(4)若要提高R選擇性，如何改變進料濃度.解：(1)空時τ=CA0XAf/（-rAf）=CA0XAf/（rR+rD）=CA0XAf/(1.6CA+2*8.2CA2)=2*0.95/[1.6*2*（1-0.95）+2*8.2*22（1-0.95）2]=5.86h(2)因為，R對A的選擇性： SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1-XAf)]=0.493所以，R的收率為：YR=XAfSR/A=0.95*0.493=0.4684(3)處理量為200L/min時反應器體積：VR=v0*τ=200*10-3*60*5.86=70m(4)由SR/A=(rRf)/（-rAf）=1.6CA/(1.6CA+2*8.2CA2)=1.6/[1.6+2*8.2CA0(1-XAf)]可知，要提高SR/A，進料濃度應降低。四、用脈沖法注入示蹤劑探求反應器中停留時間分布情況，測得如下數(shù)據(jù)：t(min):05101520253035C示(g/L):03554210在該反應器中進行一級不可逆反應，其反應氣速率常數(shù)k=0.307min-1,求：（1）真實反應器轉(zhuǎn)化率；（2）宏觀流體和微觀流體對轉(zhuǎn)化率有何影響？五、在一粒為1.5ｃｍ的催化劑固定床反應器中進行Ａ→３Ｒ反應，在排除外擴散影響時催化劑的有效擴散系數(shù)為０．００５ｃｍ２／ｓ，催化劑的密度為１２００ｇ／Ｌ，反應為一級不可逆，其本證反應速率常數(shù)為２Ｓ－１，進料流量為２０ｍ３／ｍｉｎ，最終轉(zhuǎn)化率為０．９５，床層的堆積密度為１０００ｋｇ／ｍ３，床層的空隙率為０．４。求反應器的體積和催化劑的重量。解：(1)求西勒模數(shù)和有效因數(shù)Фs=dp/6*(kv/De)1/2=1.5/6*(2/0.005)1/2=5η=1/Фs=1/5=0.2,宏觀速率常數(shù)為k（宏）=ηk（本）=0.2*2=0.4S-1(2)求反應器體積因為VR/FA0=VR/CAv0=∫0.950dXA/(-rA)代入一級反應速率式-rA=k（宏）CA0（1-XA）整理并計算得：VR=v0/k（宏）*ln(1/(1-XA))=20/0.4*ln(1/(1-0.95))=2.49(3)催化劑重量W=ρBVR=1000*2.496=2496kg六、在絕熱固定床催化反應器中進行二氧化硫氧化反應，入口溫度為度４２０℃，入口氣體二氧化硫的濃度為７％（ｍｏｌ％）。出口氣體的溫度為（１）測得Ａ點溫度為６２０℃（２）測得Ｂ點轉(zhuǎn)化率位８０％，你認為是否正確？為什么？（３）測得Ｃ點轉(zhuǎn)化率位５０％，經(jīng)再三檢驗結(jié)果正確無誤，估算Ｃ點溫度？答：（1）測得A點溫度為620℃不正確。因為是絕熱固定床催化反應器，入口420℃，出口590℃，絕熱溫升為170（2）測得B點的轉(zhuǎn)化率為80%不正確。因為反應器入口二氧化硫濃度為7%，出口二氧化硫濃度為2.1%，算得的轉(zhuǎn)化率為68.62%。（3）由T-T0=ΛxA，T=590℃，T0=420℃，xA=68.62%算得Λ=247.74℃。再由xA=50%，T0=七、在氣固催化的一級反應中，當存在外擴散和內(nèi)擴散阻力時，給出宏觀反應速率常數(shù)？和外擴散反應阻力與反應總阻力的比值表達式？(rA)g=(CAg-CA*)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]1/(kgSe)/[1/(kgSe)+1/(ksSiξ)]=(ksSiξ)/(kgSe+ksSiξ)八、證明平行反應：Ａ→Ｒ（目的），Ｅ１Ａ→Ｓ，Ｅ２Ａ→Ｔ，Ｅ３當Ｅ２＜Ｅ１＜Ｅ３時，目的產(chǎn)物R最佳選擇性時的溫度滿足：Topt-1=R/(E3-E2)×Ln{[(E3-E1)/(E1-E2)]×（k30/k20）}式中：R為氣體常數(shù)，k30、k20為E3、E2的指前因子。九、某氣相一級分解反應A→2P，在等溫活塞流管式反應器中進行，加入原料含A60％，惰性物40％，停留時間為10分鐘，系統(tǒng)出口的體積流量為原來的1.5倍，求此時A的轉(zhuǎn)化率。解：A2P惰性物1.501031εA=[(3+1)-(1.5+1)]/1.5=1由V=V0(1+εAxAf）得:xAf=(1/εA)(V/V0-1)=(1/1)(1.5-1)=0.5十、用圖示討論固體催化劑催化下的氣相反應A(g)→R(g)整個反應過程？可能存在幾步阻力和控速步驟？寫出各步速度方程？（c）外擴散控制時反應物A有濃度分布0Rp球形催化劑滯留邊界層氣相主體0球形催化劑滯留邊界層氣相主體（b）內(nèi)擴散控制時反應物A有濃度分布球形（c）外擴散控制時反應物A有濃度分布0Rp球形催化劑滯留邊界層氣相主體0球形催化劑滯留邊界層氣相主體（b）內(nèi)擴散控制時反應物A有濃度分布球形催化劑滯留邊界層氣相主體CAg≈CAS≈CACCAg≈CAS≈CACCAg≈CASCCAg≈CASCAgCACCAC≈CA*CAS≈CAC≈CA*CA*CA*Rp0RpRp0Rp（a）（a）化學動力學控制時反應物A有濃度分布如上圖所示，氣固相催化反應主要由五步組成：（1）反應物從氣流主體擴散到催化劑顆粒的外表面；（2）反應物從催化劑的外表面向催化劑的孔道內(nèi)部擴散；A+δAδ（3）在催化劑內(nèi)部孔道所組成的內(nèi)表面上進行催化反應；AδRδ（4）產(chǎn)物從內(nèi)表面擴散到外表面；RδR+δ（5）產(chǎn)物從外表面擴散到氣流主體。其中，（1）、（5）為外擴散過程；（2）、（4）為內(nèi)擴散過程；（3）為化學動力學過程。整個反應過程可能存在三步阻力及速控步驟，分別是：（1）化學動力學控制（濃度分布如圖（a））。此時，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）=ksSi（CAs-CA*）；（2）內(nèi)擴散控制（濃度分布如圖（b））。此時，（rA）g=ksSi（CAg-CA*）ξ；（3）外擴散控制（濃度分布如圖（c））。此時，（rA）g=kgSe（CAg-CAs）=kgSe（CAg-CA*）；十一、在等溫操作的間歇反應器中進行一級液相反應，15分鐘反應物轉(zhuǎn)化了85%，若把此反應移到活塞流反應器和全混流反應器中進行，達到同樣轉(zhuǎn)化所需的空時和空速？解：由ln[1/(1-xA)]=kt，得：k=（1/t）ln[1/（1-xAf）]=（1/15）ln[1/（1-0.85）]=0.12