化学反应工程习题解答-第五版

解：
设A的转化率为 ，B的转化率为
∵ ， ，
∴
t= = = - = min
t与反应体积无关。
∴ 、所需反应时间均为
3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少
解：对于平推流反应器：
对于全混流反应器：
∴ = =
（3）
代入数据：
即不合格产品所占分率为5%
4－9解：题目改：k＝－1
扩散模型计算：
，
多级模型计算
PFR:
CSTR:
全混流计算结果转化率偏大，全混流偏小，扩散与多级模型接近。
由 ，反应器既偏离PFR，又偏离CSTR，与计算结果相符。
5－1解：
（1）（A）=（B）=0 （都是平衡点，速率为零）
（2）F＞E＞D （反应早期的最佳速率，大于反应晚期的最佳速率）
（3）E（题目改为 G M E N各点中，哪一点的速率最大）（E是最佳温度点，在相同的转化率下，其反应速率最快）
（4）H （根据动力学方程可知，在温度一定时，转化率越低，正反应比逆反应越有“优势”，净速率越快）
（5）M（在相同转化率下，M更接近最佳温度，故速率更快）
（6）无法判断（都在最佳温度附近，速率均低于E点，但无法比较）
y(O2)==%
y(HCHO)==%
y(H2O)==%
y(CO2)==%
y(N2)==%
习题1—６：丁烯制丁二烯 ，已知反应的步骤为
（１）请分别导出（A）（C）为控制步骤的均匀吸附动力学方程。
（２）请分别导出（B）为控制步骤的均匀吸附动力学方程,若反应物和产物的吸附都很弱，问此时反应对丁烯是几级反应
解：记A=C4H8B=C4H6C=H2
(A)为控制步骤：
(C)为控制步骤
（B）
的情况，当反应物和产物的吸附都很弱时，即
故
可见，反应对于A为一级。
2-5. 乙烯直接水和制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃，
下，k=，Deff=×10-4cm2/s，采用直径与高为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。
则生成甲醛所耗的甲醇的物质的量为2×=
副反应消耗的甲醇为:2×由反应计量方程式可知:
n（H2O）=++2×=（mol）
n（CO2）= ;
n(HCHO)=
n(CH3OH)=2×=（mol）
n(O2)=4×（mol）
n(N2等)=4×=（mol）
则总的物质量为n= ++++＋=（mol）
y(CH3OH)==%
对A物料衡算：
∴
当 时， 最大。
此时 ，不取。
又
∴当 =0 最大， 此时
（2）对L物料衡算：
对A物料衡算：
∴
∴当 =0 最大， 此时
3－12 在平推流反应器中进行基元反应
L为目的产物，已知 ，求L的最大收率及最优接触时间。
解：
由常微分方程的通解，可解得：பைடு நூலகம்
4－1 有一理想搅拌釜式搅拌器，已知反应器体积为100L，流量为10L/min，试估计离开反应器的物料中，停留时间分别为0～1min，2～10min和大于3min的物料所占的分率。
5－2解：
（1）设体积不变，则： ，可求出： 显然不可能达到
（2）最佳温度曲线；尽可能高温
5－3解：
代入数值，得： 故：
若欲使转化率达，必须
必须降低温度才有可能。
即：
T=441K＝168℃
解:对于一级不可逆反应,颗粒催化剂的内扩散有效因子与颗粒的几何形状无关,一律可按球形计算,此时φ= 。 = =
∴ = = =
ξ= = =
∴ 内扩散因子为
2-6 某催化剂在500℃下进行，已知本征反应速率rA=×10-5 mol/（g·s），（式中 的符号为MPa），催化剂为 5mm×5mm园柱体， =cm3，颗粒外表面A的分压 =，粒内组分A的有效扩散系数 =s。求催化剂的内扩散有效因子。
解： =×10-5 mol/（g·s），
V=nRT = =
∴ rA=×10-17(RT)2 mol/（g·s）
∴ =×10-17(RT)2 /(g·mol·s)
= · =×10-17（RT）2××106 /mol·s
根据Kjaer近似解，
= =
= =
∴ξ= =
3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为L，反应速率常数为（min·mol），要求最终转化率为，试求当反应器体积为 、 时，所需的反应时间是多少
（4）两个 的平推流反应器串联。
解：
（1） = =35mm， 设转化率为
= =
∴ =×（）=L
=
∴ =
∴
（2） =35min
= =
∴ =×（）=L
∴
=×（）=
∵
∴
（3） =35min
=
∴ =×=
=
∴ =
∴ =×（）=
∵
∴
（4）
=
=
∴ =×（）=
∵
3-7 液相自催化反应A→P,反应速率 ，进料体积流量 进料浓度 。问当 =时，下列各种情况下的反应器体积。
（1）该反应器的平均停留时间及方差；
（2）若实验反应器以多釜串联模型描述，可达到的转化率为多大
t/s
1
2
3
4
5
6
8
10
15
20
30
41
52
67
C（t）
9
57
81
90
90
86
77
67
47
32
15
7
3
1
解：（1）
(2)
平推流 即
可求得：
多釜串联：
可达到转化率为%
4-6 用脉冲注入法，在反应器入口液体中加入KMnO4示踪物，从加入示踪物开始，测得出口物料中示踪物浓度如下表
时间/min
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
KMnO4
浓度/（g/
0
2
6
12
12
10
5
2
1
0
设示踪物加入对流型无影响，试确定液体在反应器中的平均停留时间及De/ 值
解：
∴
∴
4－7解：
（1）
（2）先计算转化率达所需的反应时间。
根据 可知： （min）
再计算停留时间小于的粒子所占分率。
% 即为不合格产品所占分率。
解：
0～1min：
2～10min：
min的
4－3解：题目改为：k＝ （原题数值太大，计算结果失去合理性，疑为印刷之误）
PFR:
CSTR:
4-4用脉冲示踪法测得实验反应器的停留时间分布关系如下表所示，今有一液相反应A+B P，已知 ，若此反应在具有相同停留时间的平推流反应器中进行，转化率可达99%，试计算：
(1) 单个平推流反应器；
（2）单个全混流反应器；
（3）两个等体积全混流反应器串联。
解：
（1） =2×（）=
！！！！
= = （s）
（2）
（3）
即
∴
3-11 对平行反应A L ;A M ;A N 。其中L为目的产物，在等温操作中证明：
（1） 采用全混流反应器则 ；
（2） 采用平推流反应器则
解：
（1）对L物料衡算：
习题１－１：银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2CH3OH+O2→2HCHO+2H2O
2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O
进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气＝2：4：。反应后甲醇转化率为72％，甲醛的收率为％。试计算：（１）选择率；（２）出口组成。
解：（１）
(2) 设原料中甲醇、空气、水蒸气的物质的量分别是2mol、4mol和.
∴ =
3-6 已知某均相反应，反应速率 /（mol﹒min），物料密度恒定为ml，加料流量为min， =L，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少
(1) 串联两个体积 的全混流反应器。
（2）一个 的全混流反应器，后接一个 的平推流反应器。
（3）一个 的平推流反应器，后接一个 的全混流反应器。