化学反应工程纸质作业答案

第一章（摩尔衡算）作业答案：P1-11A 在一个连续流动的反应器中反应：AB等温进行，计算当进料的摩尔流率为5mol/h, 假设反应速率-r A 为： （a ） -r A =k ， k=0.05mol/h.L 时 （b ） -r A =kC A ， k=0.0001s -1 时 （c ） -r A =kC A 2， k=3 L/mol.h 时消耗99%的组分A （即C A =0.01C A0）时，对CSTR 和PFR 反应器需要的反应器体积。

进料的体积流量为10L/h 。

[注意：F A =C A v 。

当体积流量恒定时，v=v 0, 因此，F A =C A v 0。

故C A0=F A0/v 0=（5 mol/h ）/(10L/h)=0.5mol/L 。

] 解：（a ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao AAF F V r -=- 00.0110/0.5/0.990.99990.05/.--⨯====⨯=Ao A Ao A Ao C v C v C v C v vC L h mol LV L k k k mol h L对PFR ，组分Ａ的摩尔平衡方程为：A A dFr dV=摩尔流率与体积流率之间的关系：A A F C v = 由于体积流率v 恒定，故有：A A A dF dC v dCv dV dV dV== 对零级不可逆反应，反应速率可写为：A r k -= 将r A 代入方程得到：AA dC vr k dV==- 整理得：A vdC dV k-=反应器入口的条件：当V=0 时 C A =C A0对上式子积分：0AA C VA C v dC dV k -=⎰⎰给出方程：0()A A vV C C k=- 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得：(10.01)0.5/990.05/=-⨯=⋅V mol L L mol h L（b ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao AAF F V r -=- 0100.0110/999927500.010.00013600---====⨯=⨯⨯⨯Ao A Ao A A A C v C v C v C v v L hV L kC k C k h根据（a ）中PFR 的求解方法，得出一级不可逆反应的V 的表达式：0ln A Av C V k C = 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得到：110/1ln 127.90.000136000.01-==⨯L h V L h（c ）在CSTR 中，组分A 的摩尔平衡方程为：Ao AAF F V r -=- 00022000.0110/9900990066000(0.01)3/0.5/--====⨯=⨯⋅⨯A A A A A A A C v C v C v C v v L hV L kC k C kC L mol h mol L根据（a ）中PFR 的求解方法，得出二级不可逆反应的V 的表达式：011()A A v V k C C =- 将C A0、C A 、v 和k 的数值代入方程，得到：10/11()6603/0.50.010.5=-=⋅⨯L h V L L mol h第二章（转化率和反应器尺寸）作业答案：在体积为2.5 m 3的理想BR 中进行液相反应：A B P +→，反应温度维持在75℃，实验测定反应速率方程为：A A B r k C C -=，32.7810/.-=⨯k l mol s ，004/==A B C C mol l ，0684/min =A F mol求：（1）反应器中A 的转化率达80%时所需的时间。

（2）上述反应在PFR 中进行，A 的转化率达80%时所需反应器体积。

（3）上述反应在CSTR 中进行，A 的转化率达80%时所需反应器体积。

（4）上述反应在两个串联的PFR 中进行，A 的转化率分别为50％和80%时所需反应器体积。

（5）上述反应在两个串联的CSTR 中进行，A 的转化率分别为50％和80%时所需反应器体积。

解：由于A 和B 的初始浓度相同，而且反应过程二者的反应量相同，所以在整个反应过程中C A ＝C B ，所以反应速率可表达为2A A kC r =-（1）由BR 设计方程可得反应所需的时间为：)(7.359)8.01(41078.28.0)1()1(3022000200s X kC X X KC dX C KC dX C r dX VNV r dX N t AA AAX AA A A A A A X AAA X A A A A A X A =-⨯⨯⨯=-=-==-=-=-⎰⎰⎰⎰（2）由CSTR 的设计方程可得反应器的体积为：0022320(684/60)0.85125.9()(1) 2.781044(10.8)-⨯====--⨯⨯⨯⨯-A AA A AA AF X F X V L r kC X （3）由PFR 的设计方程可得反应器的体积为：0022230684/600.81025.2()(1)(1) 2.781044(10.8)-⨯=====---⨯⨯⨯⨯-⎰⎰AAX X A A A A A A A A A A AdX F dX F X V F L r KC X KC X （4）由PFR 的设计方程可得当转化率为50％时反应器的体积为：0.50022230.5684/600.5256.3()(1)(10.5) 2.781044(10.5)-⨯=====---⨯⨯⨯⨯-⎰⎰AX A A A A A A A A A dX FdX F V F L r KC X KC 当转化率由50％到80％时所需反应器的体积为：0.80.8000222230.50.5000.80.5684/600.80.5()768.9()(1)(10.8)(10.5) 2.781044(10.8)(10.5)-===-=-=----⨯⨯⨯--⎰⎰A A A A A A A A A A A dX FdX F F V F L r KC X KC KC （5）由CSTR 的设计方程可得当转化率为50％时反应器的体积为：0022320(684/60)0.5512.6()(1) 2.781044(10.5)-⨯====--⨯⨯⨯⨯-A AA A AA AF XF X V L r kC X 当转化率由50％到80％时所需反应器的体积为：021021223202()()(0.6841000/60)(0.80.5)1922()(1) 2.781044(10.8)---⨯⨯-====--⨯⨯⨯⨯-A A A A A A AA A F X X F X X V L r kC X第三章（速度定律和化学计量方程）作业答案：P3-12A （1）将2H 作为计算的基准，建立等压等温流动系统中等摩尔2N 和2H 进料时下列反应的完整的化学计量表。

2231322+→N H NH（2）如果入口总压为16.4atm ，入口温度为1727℃，计算2H 的转化率为60%时氨和氢气的浓度。

（3）如果将2N 作为计算的基准，2N 的转化率能达到60%吗？解：（1）以2H 作为计算基准，化学反应式整理为：2231233+→H N NH化学计量表为：（2）由理想气体定律可得入口处A 的浓度为：000.516.40.05(/)0.082(/)(1727273)⨯===⋅⋅⨯+A A y P atmC mol L RT L atm mol K K对于反应2231233+→H N NH ，2121333δ=--=-入口处：F A0＝F B0，则y A0＝0.5，所以A01y 3ε=⨯δ=-由于压力和温度保持不变，2H A A0A01X 1X 10.6C C C C 0.050.025(mol /L)111X 1X 10.633⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪---⎛⎫===== ⎪ ⎪ ⎪+ε⎝⎭ ⎪ ⎪--⨯⎝⎭⎝⎭3C NH C A0A0222X 0X 0.6333C C C C 0.050.025(mol /L)111X 1X 10.633⎛⎫⎛⎫⎛⎫Θ++⨯ ⎪ ⎪ ⎪===== ⎪ ⎪ ⎪+ε ⎪ ⎪ ⎪--⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （3）以2N 作为计算基准，化学反应式整理为：22332+→N H NH'2312δ=--=-，y A0＝0.5，所以A0y 1ε=⨯δ=-2N A0A01X 1X 10.6C C C 0.050.05(mol /L)1X 1X 10.6---⎛⎫⎛⎫⎛⎫==== ⎪ ⎪ ⎪+ε--⎝⎭⎝⎭⎝⎭2B H A0A03X 13X 130.6C C C 0.050.1(mol /L)1X 1X 10.6Θ---⨯⎛⎫⎛⎫⎛⎫====- ⎪ ⎪ ⎪+ε--⎝⎭⎝⎭⎝⎭2H C 不能小于0，所以以2N 作为计算基准，2N 的转化率不能达到60%。

第四章（等温反应器设计计算）作业答案：P4-12B 在一个等温管式（活塞流）反应器中，发生不可逆气相基元反应B A →2。

反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，并且A 的转化率为80 %。

如果A 的摩尔进料流率减少一半，假设C 的进料流率保持不变，那么A 的转化率为多少？假设气体的理想性和反应器的温度保持不变。

解：对于不可逆气相基元反应B A →2，整理为0.5A B →膨胀因子δ＝0.5-1＝-0.5对于二级反应，由课本P147公式（4-17）得：222(1)2(1)ln(1)1A A F X V X X kC X εεεε⎡⎤+=+-++⎢⎥-⎣⎦第一种情况下：因为00A C F F =，所以00.5A y =00.5*(0.5)0.25A y εδ==-=-000.5A T T A y P PC RT RT== 第二种情况下： 因为0'00.5A A F F =，0'00C C A F F F ==所以0'0.333A y =''0.33*(0.5)0.165A y εδ==-=-0''00.33A A T T y P P C RT RT==所以0'00.5A A F F =，0'023A A C C =222(1)2(1)ln(1)1A A F X V X X kC X εεεε⎡⎤+=+-++⎢⎥-⎣⎦（1） 代入已知量，整理得到：22.9A A VkC F =''2''''''2''2'(1)2(1)ln(1)()1A A F X V X X k C X εεεε⎡⎤+=+-++⎢⎥-⎣⎦ （2） 把式（1）/式（2），整理得：'2'''''2''(1)2(1)ln(1) 2.581X X X X εεεε++-++=-代入'A ε，试差得：'X ＝0.76可见当A 的摩尔进料流率减少一半，而C 的进料流率保持不变，A 的转化率为76％。