化学反应工程课后习题

xA 0.534
循环操作 0.635
m w * mtotal n M M
第2章 化学反应动力学
2-4 间歇反应器：CA0和xA相同（T1=20℃时，反应时间t1=8d；
T2=120 ℃时，反应时间t2=10min），试估算 Ea
反应转化量 rA =kCAn 反应时间 反应区
xAe k1 0.2 K xAe 0.286 k2 1 xAe 0.5
若要使xA=0.9，可以降温或者移除产物。
K1 H 1 1 ln ( ) K2 R T1 T2
T2 441K
3-22 有一简单反应，原料A，产物P，实验测得下列数据，已知 cA0 1.89mol / L , cP0 0 。
cB0 / cA0 1和5时，转化率分别为0.5，0.9，0.99时所需的反
应时间，并对计算结果进行讨论。
2 rA kcAcB kcA0 (1 xA )(cB 0 cA0 xA ) kcA 0 (1 x A )(
cB 0 cB 0 2 xA ) kcA (1 x )( x ) ( 令 ) 0 A A c A0 c A0
1
c p MAX c A0MAX 0.0492kmol / m3 ;
1 k1 k2 x A 1 ( ) k1 0.744 k2
k
第4章 理想管式反应器
C2 H4 CH4 ，反应在 4-4 丙烷热裂化为乙烯的反应 C3 H8 772oC等温条件下进行，其反应动力学方程式为 (rA ) kcA
t3 20 min
30 min后反应物A完全转化，xA=100%
3-4 间歇反应器，cA0=1mol/L，t=8min后，xA=0.8；
t=18min后，xA=0.9，求该反应的动力学关系？
1 1 n c kt (1 x ) 1 A n 1
n 1 A0
t2 (1 xA 2 )1n 1 t1 (1 xA1 )1n 1
k1 =6.37 104 s 1 k2 =1.25 104 s 1
3-23* 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应：
A B P 2 A R rp 2c A kmol / (m3 h) rR 0.5c 2 A kmol / (m3 h)
A和B的初浓度均为2kmol/m^3,P为目的产物，试计算反应 为2h的A的转化率和产物P的收率。
第1章 绪论
1-5 2HCHO C2 H 2 C4 H6O2 ，原料分离回收循环操作，
甲醛初始浓度10%（质量比），出反应器1.6%，丁炔二醇 初浓度0，出口浓度7.65%，求
xA , ,,
nA0 nA 10% 1.6% xA 0.84 nA 0 10%
(nP nP 0 ) / p (7.65% 0) / (1* M C4 H6O2 ) 0.635 (nA0 nA ) / a (10% 1.6) / (2* M HCHO )
当 c A 0 分别为1，5，10 mol/L时，求反应到 cA =0.01 mol/L时，
1 1 kt c A c A0
t1 9900s
t5 9980s
t10 9990s
， kt
1 cA
对于二级反应，若1/CA>>1/CA0
反应时间t与反应物初始浓度无关。
dc A 3-10 生物化工中胰蛋白原转化成胰蛋白酶时， dt kc AcS 在间歇反应实验中测得不同温度下反应速率于某时刻 tMAX
cA 0 kt1 xA1 cA 0 kt2 1 xA1
t1 1 t2 3
xA 2 1 xA 2
t 2 15 min
t t 2 t 1 10 min
3-2 n=1，等温，证明xA=99.9%时所需反应时间是xA=50%
时所需反应时间的10倍
1 kt ln 1 xA
cA 0.0184
1 c A0 / 2 1 2 / 2 cP 2ln cP / 2 0.684 1 cA / 2 1 0.0184 / 2
3-26*
有一平行反应——串联液相反应：
1 A B P 2 B P R
r1 k1c AcB r2 k2cB c p
当C B0 /C A0 =β 越大，达到相同转化率所需的时间越短； 当C B0 /C A0 不变时，随x A 的增大，所需t 增大，且 x A 越高，t 增加越快
3-13 在3-12题中，若 cB 0 / c A0 5 时，用拟一级反应方程式处理，
其计算结果与按二级反应处理相比较。
k kcB 1 k t ln 1 xA
Ea 0.5763T (T 10)
T（K）
Ea（kJ/mol）
300
53.59
400
94.51
600
210.92
800
373.43
1000
582.05
第3章 理想间歇反应器
3-1 间歇反应器，n=2，t1=5min时，转化率xA=50%;
若要xA=75%，需增加多长时间？
xA cA 0 kt 1 xA
时间
A转化量
0
0
180
0.20
300
0.33
420
0.43
1440
1.05

1.58
试求平衡转化率和反应速率常数
cA0 cAБайду номын сангаас 1.58 xAe 0.836 cA0 1.89 xAe k1 K k2 1 xAe x Ae (k1 k2 )t ln xAe xA
代入数据，求平均值
t xA 0.5 5.31h, t xA 0.9 47.7h，t xA 0.99 524.4h 当 1时t cA0
xA 0
当 5时t xA 0.5 0.78h, t xA 0.9 2.78h , t xA 0.99 5.81h
293K :0.7k1 2.4=In
k2 E 1 1 In ( ) E 65.94kJ / mol k1 R T1 T2
3-12 在间歇釜式反应器中进行液相反应 A B P ，测得二级
反应速率常数： 61.5 102 L / (mol h) , cA0 0.307mol / L ，计算当
*例3-8（p27）《化学反应工程原理——例题与习题》
P ，已知 (H ) 130959 J / mol 。已知210oC 3-21 可逆反应 A
时， k1 0.2 , k2 0.5 。求在该温度下所能达到的最大转化率为多
少？若要使 xA 0.9，则需采取何种措施？
C2H6二聚反应：(2) T=200℃，Ea=104.6 kJ/mol。为使反应 速率加倍，要提高多少温度？
k 2 Ea 1 1 ln ( ) k1 R T 1 T 2
（1）T T 2 T 1 8.4o C （2）T T 2 T 1 12.7o C
1 T2 1 R k2 ln T 1 Ea k 1
t xA 0.5 0.73h , t xA 0.9 2.44h , t xA 0.99 4.88h
当cB0/cA0=5时，二级反应可做拟一级反应处理 。
P ，已知 c 0.5mol / L , c 0。当 3-20 可逆一级液相反应 A A0 P0
此反应在间歇反应器中进行时，经过8 min A的转化率是
若使反应速率提高一倍，活化能愈大，所需提高的温度愈小
2-6 反应温度上升10℃，反应速率加倍，Ea与T之间的关系？ 当T1(K)=300、400、600、800和1000K时，求Ea
k2 E 1 1 ln ( ) k1 R T 1 T 2
ln 2
Ea 1 1 ( ) R T T 10
( rA )1 rp 2c A ( rA ) 2 2rR c 2 A
xA
dc A dt
2c A c 2 A
t 0.5ln
cA0 (2+cA ) cA (2+cA0 )
2 0.0184 0.9908 2 cP cA dcP dcA dcA 又 2cA ， 1 0.5cA dcP 0 c A 0 1 0.5c dt dcP A cP 2 In
k2 0.52 k1
t t1时，c A c A0e k1t k1 cp c A0 (e k1t e k2 t ) k1 k2
MAX
k1 ( ) k2
k2 k1 k2
1 11/0.52 ( ) 0.492 0.52
当 1时t cA0
xA
0
xA dx 1 2 2 kcA kcA0 (1 xA ) 0 (1 x A ) ( xA ) dxA 1 ln kc 2 A0 (1 xA )( xA ) kcA0 ( 1) (1 xA )
Ea k k0 exp( ) RT
等温时，k 一定
1 1 ln ln t2 1 xA 2 1 99.9% 10 1 1 t1 ln ln 1 x A1 1 50%
3-3 n=1/2，10 min后xA=0.75, 30 min后转化率xA=?
1 n 1 n 1 CA kt (1 x ) 1 A 0 n 1
33%，而此时平衡转化率为66.7 %。此反应的动力学方程 。
C A0 C Ae x Ae (k1 k2 )t ln ln C A C Ae x Ae x A
K x k1 0.667 Ae 2.003 k2 1 xAe 1 0.667
(rA ) 0.0577cA 0.0288(cA0 cA )
达到最大值
CA0 (CT 0 CA ) CT 0 kt (CA0 CP 0 )kt In CA (CT 0 CA0 )
(C A )opt CT 0 C A0 CP 0 0.65+0.05 = = 0.35kmol/m3 2 2 2 0.65(0.7 0.35) k1 ,同理 K 求k2 0.35(0.7 0.65)
ktc
n 1 A0
1 1 n (1 x A) 1 n 1
k 2 t1 k1 t 2
k 2 Ea 1 1 ln ( ) k1 R T 1 T 2
Ea 67.55 kJ / mol
2-5 C2H4二聚反应：(1) T=200℃，Ea=156.9 kJ/mol；
cA0 在间歇反应器中，开始时溶液中含有A的浓度 及过量的B，得到如下数据：
时间T t1 cA 0.055 cP
0.1kmol / m3
0.038
t2
0.01
0.042
试问:k2 / k1
的比值为多少？间歇反应器中P的最大浓度为多少？并求此时A
的转化率
r1 k1c A
c p ; (其中k1 k1cB );同理r2 k2
1 2 C kt 2 1 (1 xA ) 1 2 A0
t2 30 1 (1 xA 2 ) 1 t1 10 1 (1 0.75) 2
假设xA=1时，时间为t3
1 2 1 2
1 2
xA2无解
t3 1 (1 xA3 ) 1 (1 1) 1 1 t1 1 (1 xA1 ) 2 1 (1 0.75) 2
18 (1 0.9)1n 1 8 (1 0.8)1n 1
n=2
xA cA 0 kt 1 xA
k 0.5 L / (mol min)
3-8 在间歇反应器中进行二级反应
AP
，反应速率为
(-rA )=0.01c2 A mol / s
所需反应时间。并对计算结果进行讨论。