反应补充习题

第一章化学反应本征动力学补充习题
1.恒温恒压下，连续气相反应A＋2B → R，原料气组成c A0＝c B0＝100 mol/L，
问当c B＝20 mol/L时，转化率x A、x B及反应物A 的浓度c A为多少？
2. A Commercial Popcorn Popping Popcorn Popper:
We are constructing a 1L popcorn popper to be operated in steady flow. First tests in this unit show that 1 L/min of raw corn feed stream products 28 L/min of mixed exit stream. Independent tests show that when raw corn pops its volume goes from
1 to 31. With this information determine what fraction of raw corn is popped in the
unit.
3.某化学计量式为A＋2B＝2P，若以反应物A表示的反应速率为r A＝2 c A0.5c B，
试写出以反应物B和产物P表示的反应速率式。

4.温度25℃时，当温度升高10℃反应速率增加一倍，试估算反应活化能。

5.下列两反应：（1）C2H4的二聚反应，反应温度200℃，反应活化能15
6.9 kJ/mol;
（2）C2H6的二聚反应，反应温度200℃，反应活化能104.6 kJ/mol;
为使反应温度提高一倍，计算所需提高的反应温度各为多少？讨论所计算的结果。

6.Search for the activation energy of a pasteurization process:
Milk is pasteurized if it is heated to 63℃for 30 min, but if it is heated to 74℃it only needs 15 s for the same result. Find the activation energy of this sterilization process.
7.等温下进行液相反应A + B→C + D，该条件下的反应速率方程为
r A= 0.8 c A1.5 c B0.5mol /(L• min)
若将初始浓度均为 3 mol/L的原料A、B等体积混合后进行反应，求反应4 min 时A 的转化率。

8.在一恒容反应器中进行下列液相反应A + B → R r R= 2c A
2A → D r D= 0.5 c A2式中r R、r D分别表示产物R及D的生成速率，其单位为kmol/(m3• h)。

反应用的原料为A 与 B 的混合物，其中A 的浓度为 2 kmol/m3。

试计算A的转化率达95％时所需要的反应时间。

9.k1
反应A ↔ B 中，正逆反应均为一级反应，活化能E
1
= 8370 J/mol，k2
E 2= 16740 J/mol，反应频率因子k
01
＝k
02
＝1.00⨯1012 s－1。

（1）在间歇釜中反应，若希望x
A
＝0.900，则最佳反应温度为多少？（2）是否整个反应过程都控制在这个温度最好？为什么？应该怎样控制？
第三章 均相理想流动反应器 补充习题
1. 在等温间歇釜反应器中进行下列液相反应
A +
B → R r R = 2 c A kmol/(m 3• h)
2A → D r D = 0.5 c A 2 kmol/(m 3• h)
反应开始时A 和 B 的浓度均为 2 kmol/m 3，目的产物为R 。

试计算反应时间为3h 时 A 的转化率和 R 的收率。

2. 采用连续釜式反应器实现【补充习题 3－1】的反应，若保持其空时为3h ，则组分A 的最终转化率为多少？R 的收率又为多少？
3. 气相反应 A + B → P 在等温下进行，物料在平推流反应器中的初始流量为 360 m 3/h ，A 与B 的初始浓度均为 0.8 kmol/m 3，其余惰性物料浓度为 2.4 kmol/m 3，反应速率常数k = 8 m 3/(kmol • min) 。

问A 转化率达90％时所需的反应体积为多少？
4. 在两个全混流反应器串联的系统中等温进行下列液相反应
2A → B , r A = 68 c A 2
kmol/(m 3• h)
B → R , r R = 14 c B kmol/(m 3• h)
进料中组分A 的浓度为 0.2 kmol/m 3，流量为 4 m 3/h ，要求A 的最终转化率达 90％，问：
（1）最小总反应体积为多少？
（2）此时目的产物 B 的收率是多少？
5. 拟设计一反应装置等温进行下列液相反应
A ＋2
B → P , r P = k 1 c A c B 2 2A ＋B → S , r S = k 2 c A 2 c B
目的产物为 P ，且 B 的价格远较 A 为高又不易回收。

问：
（1）如何选择原料配比？
（2）若采用多个全混流反应器串联操作，何种加料方式最好？为什么？
第四章 非理想流动反应器 补充习题
1. 已知物料在某反应器内的停留时间分布函数为E(t)=0.01 e －0. 01 t (单位:1/s) 问： (1) 物料在此反应器内的平均停留时间为多少？
(2) 停留时间小于100s 的物料占进料的百分之多少？
(3) 停留时间大于100s 的物料占进料的百分之多少？
2. 用阶跃法测定某一反应器的停留时间分布，得到离开反应器的示踪剂浓度与时间的关系如下：
试求：
（1）该反应器的停留时间分布函数F(θ) 及分布密度 E(θ)。

（2）数学期望θ 及方差σθ2 。

（3）若用多釜串联模型来模拟该反应器，则模型参数为多少？
（4）若用轴向混合模型来模拟该反应器，则模型参数为多少？
（5）若在此反应器中进行一级不可逆反应，反应输率常数 k = 1 min -1，且无副反应，则反应器的出口转化率为多少？
3. 在具有如下停留时间分布的反应器中， 等温进行一级不可逆反应 A → P ， 其反应速率常数为 2 min -1，
试分别用轴向扩散模型及凝集流模型计算该反应器的出口转化率，并对计算结果进行比较。

4. 反应动力学测定常用的内循环式无梯度反应器实质上是一个全混流反应器，使用前需要检验其是否达到全混流。

现以氮为主流体、氢为示踪剂，并阶跃输入，输入浓度为c 0，用热导分析测定出口气中氢的浓度c ，结果如下表
表中z 为纪录纸的移动距离。

试问该反应器的流动状况是否为全混流？ 5. 已知一等温液相反应器的停留时间分布密度函数E(t) = 16 t exp(－4t )，min －1，试求:
（1）平均停留时间；
（2）停留时间小于1 min 的物料所占的分率；
（3）停留时间大于1 min 的物料所占的分率；
（4）若用多釜串联模型拟合，该反应器相当于几个等体积的全混流反应器串联？
（5）若用轴向混合模型来模拟该反应器，则模型参数Pe 为多少？ c(t) 1.0
c(t)= 0, t ≤ 2 min t －2, 2 min ≤ t ≤ 3 min 1, t ≥ 3 min E(t) = 0 ， t < 1 min exp(1－t) ， t ≥ 1 min 0 0.333 0.597 0.757 0.908 0.963 0.986
c/c 0 0 4 9 14
24 34 44 z/cm
第二章气固相催化反应宏观动力学补充习题
1.在半径为R的球形催化剂上，等温进行气相反应A ↔ B ，试以产物B的浓
度c B为纵坐标，球形催化剂的径向距离r 为横坐标，针对下列三种情况分
别绘出产物B 的浓度分布示意图，要求在图中示出c
Bg , c
BS
, c
BC
, c
B
*，并
说明它们之间的大小关系。

（1）本征动力学控制；
（2）外扩散控制；
（3）内、外扩散均不能忽略。

2.在固定床反应器中等温进行一级不可逆反应，床内填充直径为6 mm 的球形
催化剂，反应组分在其中的有效扩散系数为0.002 cm2/s。

在操作温度下，
以催化剂颗粒体积计算的反应速率常数k
V, p
= 0.2 s-1。

有人建议改用3 mm 的球形催化剂以提高产量，问采用此建议能否增产？增产的幅度有多大？
假定此反应受内扩散控制，催化剂的物理性质及化学性质均不随颗粒大小而改变，改换粒度后仍保持在同一温度操作且有效扩散系数也保持不变。

3.用直径6mm的球形催化剂进行A的一级不可逆分解反应，气相主体中反应
组分A 的摩尔分数y Ag= 0.50，操作压力0.1013 MPa，温度500ºC。

已知单位
床层体积的反应速率常数k
V,b
= 0.333 s-1，床层空隙率为0.5，单位床层体积催化剂的外表面积Se= 500 m2/m3床层，组分A 在粒内的有效扩散系数为
0.00296 cm2/s，外扩散传质系数为40m/h。

计算：
（1）内扩散有效因子，并判断内扩散影响是否严重；
（2）催化剂外表面浓度及外扩散有效因子，并判断外扩散影响是否严重；
（3）宏观反应速率。

4.在150 ºC，用粒径100 mm的镍催化剂进行气相苯加氢反应，由于原料气中
氢大量过剩，可将该反应按一级（对苯）反应处理，在内、外扩散影响已消除的情况下，测得以催化剂颗粒体积计算的反应速率常数k V= 5 min-1，苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数为0. 2 cm2/s。

试问：
（1）在0.101MPa下，要使内扩散有效因子z = 0.80，催化剂颗粒的直径需多少？
（2）改在2.02MPa下操作，并假定苯的有效扩散系数与压力成反比，重复(1)的计算。

5.在铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应，其反应速率方程为r A= k W c A mol/(g·s),
0.1013MPa 及773 K 时，以催化剂质量计的反应速率常数k W＝0.92 m3/(g·s)。

若在该温度下，采用厚度为8 mm 的薄片催化剂进行反应，催化剂的平均孔半径为48⨯10-10m，孔容为0. 35 cm3/g，曲折因子为2. 5。

试计算内扩散有效因子。