化学反应工程第五版朱炳辰课后习题复习资料
化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
(完整版)反应工程第五章习题答案
化学反应工程习题（第五章）5.1乙炔与氯化氢在HgCl 2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应2223C H HCl C H Cl+↔ ()A ()B ()C 其动力学方程式可有如下种种形式：(1)2(/)/(1)A B C A A B B C C r p p p K K p K p K p κ=-+++ (2)/(1)(1)A B A B B B C C A A r K K p p K p K p K p κ=+++ (3)/(1)A AB A A B B r K p p K p K p κ=++ (4)/(1)B A B B BC C r K p p K p K p κ=++试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解：（1）A A σσ+↔B B σσ+↔ （控制步骤）A B C σσσσ+↔+C C σσ↔+（2）11A A σσ+↔（控制步骤）22122111B B A BC C C σσσσσσσσ+↔+→+↔+（3）A A σσ+↔B B σσ+↔（控制步骤）A B C σσ+→+（4） B B σσ+↔ （控制步骤）A B C σσ+→ C C σσ↔+5.2 在Pd-Al 2O 3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为243222321C H CH COOH O CH COOC H H O2++↔+ 实验测得的初速率数据如下[功刀等，化工志，71，2007（1968）.]115℃, ，。
AcOH 200p mmHg =292O p mmHg =24()C H p mmHg701001952473154655010(/)r mol hr g ⨯⋅催化剂 3.94.46.06.67.255.4注：1mmHg=133.322Pa如反应机理设想为2424242422423223232222O ()O O+AcOH AcOH C H C H AcOH C H HC H OAc O O HC H OAc O C H OAc H C H OAc C H OAc H H σσσσσσσσσσσσσσσσ+↔+↔+↔++↔+→+↔+↔控制步骤试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
化学反应工程课后习题解答全解PPT教案
pA 0.0586t3 3.3119t2 82.305t 996.12
（3）对回归方程求导，得到微分方程
dpA 0.1758t2 6.6238t 82.305 dt
（4）由微分方程求各点的斜率，如下表
第78页/共94页
时间 0.0 2.5 5.0 10.0 15.0 20.0
/min
总压 1000 1400 1666 2106 2386 2586
/Pa
.5 .5 .4 .4
pA 1000 800 666. 446. 306. 206.
-（dp4A/）dt 对r8A 2.3ddptA66~.8pA
75 53.5
分7别5取自然8 对数，8 得到数据如下 33.6 22.5 20.1
pA 10500 84040 68616. 44476. 30036. 24096.
/min
总压 1000 1400 1666 2106 2386 2586
/Pa
【解】
（1）参照例2-.57将系.统5 总压.力4 转化.4为A
组分分压数
pA
pA0
P0 A
P
其中
A
31 2 1
pA
pA0
pA0 2
P
1.5 pA0
P 2
1500
0.5P
由此式可得到 A 组分分压随时间的变化数据见下表
因产物P的选择率为
S rP 2cA 2 0.6667 66.67% rP 2rR 3cA 3
所以产物P的收率为
YA S xA 0.66670.8571 0.5714 57.14%
第167页/共94页
3-9 A P T 555K, P 0.3MPa,
yA0 0.30, y惰0 0.65, FA0 6.3mol/ s,
《化学反应工程》(朱炳辰 第四版)课后习题第二章 答案详解
10
15
C
2 A
(
RT
)2
mol
/(g s)
7.696
10 15
8.314
2
773 2
10
12
C
2 A
3.1787
10
5
C
2 A
[
mol
/( g
s)]
k w 3.1787 10 5 [cm6 /(mol g s)]
kV P kw 0.8 3.1787105[cm3 /(mol s)]
2-7
西南科技大学应化 0902
2011-10-31
解：由
dcA dt
k cA K cA
可得， ( K
k
1 . cA
1 k )dcA
dt
即，
K k
lnc A
1 k
cA
t
代入表格中数据有， K ln 1 1 (1.0 10.0) 7.45103
k 10.0 k
K ln 0.25 1 (0.25 10.0) 9.56103 k 10.0 k
化学反应工程朱炳辰第四版课后习题第二章答案详解
西南科技大学应化 0902
2011-10-31
《化学反应工程》教材 P75-76 作业参考答案
2-5 解：（1）分别写出 a、c 为控制步骤的均匀吸附动力学方程；
(a) (1) rA＝raA rdA＝kaA pA0 kdA A
(2)
0＝1＋bA
1 pA＋bB
1
n
yj yAN j / NA
n
y j 0.09
17 / M j
即 DAm
jA
DAj
jA
化学反应工程第五版答案
化学反应工程第五版答案【篇一：化学反应工程第一章习题参考答案】txt>1-1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇:空气:水蒸气＝2:4:1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。
试计算：（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为：s???0.9611?96.11%x0.720（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为设甲醇的转化率为ap醛和二氧化碳的摩尔数na、np和nc分别为： na=na0(1-xa)=7.672 molnp=na0yp=18.96 molnc=na0(xa-yp)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nw）、氧气（no）和氮气（nn）的摩尔数分别为：nw=nw0+np+2nc=38.30 molno=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 molnn=nn0=43.28 mol解二：（1）根据定义：目的产物收率目的产物选择率y=消耗于主产物l上的关键组分a的量进入反应系统的a的初始量 s=消耗于主产物l上的关键组分a的量转化了的关键组分a的量反应物的转化率 xa＝转化了的关键组分a的量进入反应系统的a的初始量转化率、收率和选择率的关系y=xas已知：xch3oh= 72%yhcho = 69.2%s?则yhchoxch3oh?69.2%72%?96.11%（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol，则即反应后混合气体中：nch3oh = 2*(1-72%) =0.56molnhcho = 2*69.2%=1.384molnh2o =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molnco2 = 2*(72%-69.2%)=0.056moln空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中no2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molnn2 = 4*79%=3.16mol）总物质的量为：nt = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：ych3oh=0.56/8.02*100%=6.98%y空气= 3.224/8.02*100%=40.20%（其中yo2=0.80%,yn2=39.4%） yhcho=1.384/8.02*100%=17.26%yh2o=2.796/8.02*100%=34.86%yco2 = 0.056/8.02*100%=0.70%解：（1）?dnadna?kvrfa；??kwfa； dvrdwvr??b??bdvr?dw??dnadna????bkwfa dwdvr?b或者vr?sissdndna?p?w?i?pdvr?dw??a???i?p?kwfa dwsvsvdvrsvsi?psv即kvrsgsi??b?kw??p?kw?kw或 svsivr?sisdnadnasi?w?idvr?dw??????kwfa dwsgsgdvrsgsisgkvrsgsi??b?kw??p?kw?kw svsi（2）?dna?kwfa?kffa dw?kdnap?kcca?kca?cpa?kppa dwrgtrgtdnapyap?kcca?kc?kcya?kyya dwrgtrgt?对于理想气体，f接近于p，所以有kc?rgt?kp?rgt?kf?rgt?kw?rgtp?ky?dna?kwfa?kffa?kf?apa dwrgtp?ky kc?rgt?kp?rgt?kf?rgt?a?kw?1-6 有如下平行反应，0p为目的产物，各反应均为一级不可逆放热反应，反应活化能依次为e2e1e3，kj为j反应的指前因子，证明最佳温度top?e3?e2 k30(e3?e1)rln0k2(e1?e2)k1?k10e证明：?e1rte2rtncancanca0k2?k2e?k3?k30e因n相同，所以p的选择率 e?3rts??rprp?rs?rt1 1?s?trprp10k2k30(e1?e3)/rt(e1?e2)/rt1?0e?0ek1k1?令ds?0 dt所以0k30(e1?e3)/rtk2(e1?e2)/rtd(1?0e?0e)0k1k1k2e1?e2(e1?e2)/rtk3 0e1?e3(e1?e3)/rt???0e?0e?022dtk1rtk1rt1d()ds??dtdt0k2e1?e2(e1?e2)/rtk30e3?e1(e1?e3)/rte?0e整理，得022k1rtk1rtk30e3?e1e(e1?e2)/rt?0 (e1?e3)/rtk2e1?e2et?即ope3?e2k30(e3?e1) rln0k2(e1?e2)【篇二：化学反应工程作业答案】解： a?b?c?dra?k?c设a的转化率为xa，b的转化率为xb a?cbxa?na0?na??nanb0?nb??nb??xb? na0na0nb0nb0∵na0?nb0 ， ?na??nb ，∴ca?cb xaft=ca0?0dxa=ca0raxaf?011dxak=-=169.6 min2kc(1?x)ck?caa0afa0t与反应体积无关。
《化学反应工程》(朱炳辰-第五版)第五章部分课后习题答案
a
+ 1 .7 5 = 3 9 .0 7ψ
a
,将 此 式 变 为 :
− 1 . 7 5ψ
a
a
− 8 .7 7 8 = 0
解 此 方 程 得 :ψ
= 0 .4 9 6 9
5-8 由直径为 3mm 的多孔球形催化剂组成的等温固定床,在其中进行一级不可逆反应,基于催化剂颗粒体积 -1 2 计算的反应速率常数为 0.8s ,有效扩散系数为 0.013cm /s,当床层高度为 2m 时,可达到所要求的转化率.为 了减小床层的压力降,改用直径为 6mm 的球形催化剂,其余条件均不变,,流体在床层中流动均为层流,试计
−3
查 ” 无 机 化 工 反 应 工 程 ”P108 图 4-1 得 ε =0.45, 混 合 气 的 物 性 数 据 按 空 气 计 算 误 差 不 大 ,733K 下 , ρ =0.4832kg/m3,μ=0.034 厘泊=3.4×10-5Pa.s,因此有:
f =
150 µ (1 − ε ) 1 5 0 × 3 .4 × 1 0 −5 (1 − 0 .4 5 ) + 1 .7 5 = 1 5 0 × + 1 .7 5 = + 1 .7 5 Re d pu0ρ 6 .0 0 5 × 1 0 −3 ( 2 1 .7 5 A −1 ) × 0 .4 8 3 2
(1 )
f =
∴
150 1− ε = 150 × µ Re d pu0 ρ
p2
f1 = d f2
/d
p1
(2)
(1),(2)式联立:
L1d p 2 d p 2 L ⎛ d p2 ∆ p1 = = 1 ⎜ ∆ p2 L 2d p1d p1 L2 ⎜ ⎝ d p1
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
反应工程课后习题
第二章1．在一管式反应器中等温下进行甲烷化反应：催化剂体积为10ml,原料气中CO含量为3％，其余为N2、H2,气体，改变进口原料气流量Q0 进行实验，测得出口CO 的转化率为：83.367.650.038.529.422.2X/%203040506070试求当进口原料气体流量为50ml/min 时的转化速率。
解：是一个流动反应器，由（2.7）式可知其反应速率为rA=－dFA/dVrFA= FA,0(1－XA)=Q0CA0(1－XA)dFA=－Q0CA0dXA故反应速率可表示为：rA= Q0CA0dXA/dVr=CA0dXA/d（Vr/ Q0）用XA－Vr/ Q0作图，过Vr/ Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dXA/d（Vr/ Q0）值aVr/ Q0 min 0.12 0.148 0.2 0.26 0.34 0.45XA % 20 30 40 50 60 70由（2.6）式可知rA=－dCA/dt=－d{CA0（1－xa）/ dt= CA0 dXA/ dt代入速率方程式CA0 dXA/ dt=0.8 C2A0(1－XA)2化简整理得dXA/(1－XA)2=0.8CA0dt积分得0.8 CA0t= XA/(1－XA)=9.6解得XA=90.59%2．在进行一氧化碳变换反应动力学研究中，采用B106催化剂进行试验，测得正反应活化能为9.629×104J/mol，如果不考虑逆反应，在反应物料组成相同的情况下，试问反应温度为550℃时的速率比反应温度为400℃时的反应速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其他条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
r550/r400=k550/k400=Aexp(－E/RT550)/ Aexp(－E/RT400)=eE/R(1/T400－1/T550)=23(倍)3．在一恒容反应器中进行下列液相反应式中分别表示产物R及D的生成速率。
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
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Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
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固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
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一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
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气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
(完整版)反应工程第五章习题答案
化学反应工程习题（第五章）5.1乙炔与氯化氢在HgCl 2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应2223C H HCl C H Cl +↔()A ()B ()C其动力学方程式可有如下种种形式：(1) 2(/)/(1)A B C A A B B C C r p p p K K p K p K p κ=-+++(2) /(1)(1)A B A B B B C C A A r K K p p K p K p K p κ=+++ (3) /(1)A A B A A B B r K p p K p K p κ=++(4) /(1)B A B B B C C r K p p K p K p κ=++试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解：（1） A A σσ+↔B B σσ+↔A B C σσσσ+↔+ （控制步骤） C C σσ↔+（2） 11A A σσ+↔22122111B B A BC C C σσσσσσσσ+↔+→+↔+（控制步骤） （3） A A σσ+↔B B σσ+↔A B C σσ+→+ （控制步骤）（4） B B σσ+↔A B C σσ+→ （控制步骤） C C σσ↔+5.2 在Pd-Al 2O 3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为 243222321C H CH COOH O CH COOC H H O 2++↔+ 实验测得的初速率数据如下[功刀等，化工志，71，2007（1968）.] 115℃, AcOH 200p mmHg =，292O p mmHg =。
24()C H p mmHg701001952473154655010(/)r mol hr g ⨯⋅催化剂3.94.46.06.67.255.4注：1mmHg=133.322Pa如反应机理设想为2424242422423223232222O ()O O+AcOH AcOH C H C H AcOH C H HC H OAc O O HC H OAc O C H OAc H C H OAc C H OAc H H σσσσσσσσσσσσσσσσ+↔+↔+↔++↔+→+↔+↔控制步骤试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
《化学反应工程》第五版(朱炳辰)课后习题答案
第一章1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为100mol 时，则反应器的进料组成为A P 口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol所以，反应器出口气体组成为：1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中。
化学反应工程第五版复习资料
1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当甲醛和二氧化碳的摩尔数、和分别为：0(1)=7.672 018.960()=0.7672结合上述反应的化学计量式，水（）、氧气（）和氮气（）的摩尔数分别为：0238.300-1/23/20.8788 0=43.281. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与粗甲醇 100 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（）组分 原料气 冷凝分离后的气体 26.82 15.49 H2 68.25 69.78 2 1.46 0.82 4 0.55 3.62 N2 2.92 10.29粗甲醇的组成为3 89.15%,(3)2O 3.553H9 1.102O 6.20%,均为重量百分率。
在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1粗甲醇而言，其溶解量为2 9.82g 9.38g2 1.76g4 2.14g25.38g 。
(完整版)反应工程第五章习题答案
化学反应工程习题（第五章）5.1乙炔与氯化氢在HgCl 2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应2223C H HCl C H Cl+↔ ()A ()B ()C 其动力学方程式可有如下种种形式：(1)2(/)/(1)A B C A A B B C C r p p p K K p K p K p κ=-+++ (2)/(1)(1)A B A B B B C C A A r K K p p K p K p K p κ=+++ (3)/(1)A AB A A B B r K p p K p K p κ=++ (4)/(1)B A B B BC C r K p p K p K p κ=++试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解：（1）A A σσ+↔B B σσ+↔ （控制步骤）A B C σσσσ+↔+C C σσ↔+（2）11A A σσ+↔（控制步骤）22122111B B A BC C C σσσσσσσσ+↔+→+↔+（3）A A σσ+↔B B σσ+↔（控制步骤）A B C σσ+→+（4） B B σσ+↔ （控制步骤）A B C σσ+→ C C σσ↔+5.2 在Pd-Al 2O 3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为243222321C H CH COOH O CH COOC H H O2++↔+ 实验测得的初速率数据如下[功刀等，化工志，71，2007（1968）.]115℃, ，。
AcOH 200p mmHg =292O p mmHg =24()C H p mmHg701001952473154655010(/)r mol hr g ⨯⋅催化剂 3.94.46.06.67.255.4注：1mmHg=133.322Pa如反应机理设想为2424242422423223232222O ()O O+AcOH AcOH C H C H AcOH C H HC H OAc O O HC H OAc O C H OAc H C H OAc C H OAc H H σσσσσσσσσσσσσσσσ+↔+↔+↔++↔+→+↔+↔控制步骤试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
化学反应工程
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❖化学反应工程的新阶段：20世纪80年代后期
除了传统领域(化学工业、石油化工、冶金 化工)外，许多新的技术相继发展(如生物技 术、光导纤维以及新材料等)，使反应工程 产生了许多分支学科，如生化反应工程、 聚合反应工程等，扩大了化学反应工程的 研究领域，从而使化学反应工程的研究进 入了一个新的阶段。
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❖反应动力学：阐明化学反应速率与各项物 理因素（如浓度、温度、压力和催化剂等） 之间的定量关系。
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❖催化剂：如粒内传热，微孔中的扩散，催 化剂中活性组分的有效分布、催化剂的活 化和再生等等。
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❖设备型式、操作方法和流程：反应不同， 规模不同，适合的反应器型式和操作方式 也会不同。为了实现某一反应，可有多种 技术方案，包括热量传递、温度控制、物 料是否循环等等，何种方案最为经济合理， 流程据此来拟订。
中试
修正基础模型
图1.2 数学模拟放大方法示意图
用
计
算
机 作过
多程
方的
案基
及 优 化
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1.6 工程放大与优化
❖ 工程放大和优化：将实验室和小规模生产的研究 成果推广到大型工业生产装置，要综合各方面的 有关因素提出优化设计和操作方案，即工程放大 和优化。
❖ 工程放大的方法：主要有相似放大、经验放大法 和数学模型放大法。
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❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
《化学反应工程》(第五版)第二、第三章部分课后习题答案
2-13 乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应， 300 7.09M 在300 ℃ 、7.09MPa下，k=0.09s-1,Deff=7.04 10-4cm2/s，采用直 =7.04×10 5 径与高均为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。 解： 由已知条件：
T = 300 + 273.15 K = 573.15 K ; P = 7.09 MPa; kVC = 0.09 s −1 ; Deff = 7.04 × 10 − 4 cm 2 / s
P
∗ C4 H 8
⇒P
∗ C4 H 8
=
PC4 H6 PH 2 KP
−5
ka = ，并令ka = k，可得： kd
rC4 H8＝
k pC4 H8－pC4 H6 pH 2 / K p） （
1＋bC4 H（pC4 H6 pH 2 / K p）＋bC4 H6 pC4 H6 8
（1）C为控制步骤
n
rC4 H6＝kdθC4 H6 − ka pC4 H6 (1 − ∑θi ) − − − 1
2-12 用空气在常压下烧去催化剂上的积碳，催化剂颗粒直径为 e 1molO 5nm 5nm，颗粒有效导热系数λe=0.35J/(m.s.K),每燃烧1molO2放出 5.4 760 热量5.4 108J，燃烧温度760 ,时，氧在催化剂颗粒内的有效 5.4×10 760℃, 5 10 扩散系数为5×10-7cm2/s /s。试估计定态下，催化剂颗粒表面与中 心的最大温差。 解： 由已知条件：
θ 0.50 1 = DNH 3e = × = 2.54 × 10−4 cm 2 / s δ 2.5 787.32
2-11 求下述情况下，催化剂孔道中的CO的有效扩散系数。已知 气体混合物中各组分的摩尔分数：yH2O=0.50 yCO=0.1 =0.50， =0.1， 400 0.709MPa yCO2=0.06 yN2=0.24; =0.06， =0.24;温度400 400℃，压力0.709MPa 0.709MPa。催化剂平均 10nm 0.50 2.06 直径10nm 10nm，孔隙率0.50 0.50，曲折因子2.06 2.06。 解： d = 2ra = 10 nm = 10 −9 m ⇒ ra = 5 × 10 −9 m = 5 × 10 −7 cm
完整版化学反应工程课件
❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子 型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定 的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸 出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物 料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随 着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时 间。
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应
间歇过程
❖按照操作方法分 连续过程 （平推流，全混流，中间型）
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和 质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自 动控制水平相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
《化学反应工程》(第五版)第三章课后习题答案 (经典)汇编
0.004L
/
min
V01
V02
V0 2
0.5 0.004
2mL / min
习题3-6解答
已知： rA kCA2; k 17.4ml /(mol min) 0.75g / ml; V0 7.14 L / min;
CA0 7.14mol / L; 试求下列方案的转化率。
解： （1）串联两个体积0.25m3的CSTR
0.78(h)
当xA 0.9时，
1
5 0.9
t2 4 0.615 0.307 ln 5 (1 0.9) 2.79(h)
当xA 0.99时，
1
5 0.99
t2 4 0.615 0.307 ln 5 (1 0.99) 5.81(h)
分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长； 若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。
2
L+ B
M
r1 k1CACB r2 k2CLCB
CA0 0.1kmol / m3 B大量过量，
t
cA
cM
t1
0.055
0.038
t2
0.01
0.042
(1) k2 ? k1
(2)BSTR : CL,max ? (3)xA ?
【分析与解答】
液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。
B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。
结果为：
r1 k1CACB k1CA;
r2 k2CLCB k2CL
t
cA
cL
t1
0.055 0.007
t2
0.01
0.048
解：（1）由于是间歇反应器，所以
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第一章1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩Bkg/h 粗甲醇100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。
在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg 粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g 。
若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：（1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率。
解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，则根据已知条件，计算进料原料其中x i =y i i i i m i iM ’m =∑y i M i =9.554又设放空气体流量为Akmol/h ，粗甲醇的流量为Bkg/h 。
对整个系统的N 2作衡算得：5.38B/28×1000+0.1029A=2.92 (A) 对整个系统就所有物料作衡算得：100×10.42=B+9.554A (B) 联立（A ）、（B ）两个方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h 反应后产物中CO 摩尔流量为F CO =0.1549A+9.38B/(28×1000) 将求得的A 、B 值代入得F CO =4.431 kmol/h 故CO 的全程转化率为CO,0CO COCO,0F F 26.82 4.435X 83.48%F 26.82--===由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO 摩尔流量为F ’CO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h 所以CO 的单程转化率为CO,0CO 'COCO,0F F 26.82 4.435X 16.18%F 138.4--===产物粗甲醇所溶解的CO 2、CO 、H 2、CH 4和N 2总量D 为(9.829.38 1.76 2.14 5.38)BD 0.02848Bkmol /h1000++++==粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X 甲/M m =(785.2-0.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h 所以，甲醇的全程收率为Y 总=21.25/26.82=79.24% 甲醇的单程收率为Y 单=21.25/138.4=15.36%2 反应动力学基础2.1解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～t 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。
切线的斜率为0.760.125/.6.1α-==-mol l h由（2.6）式可知反应物的水解速率为0.125/.-==dC A r mol l hAdt2.2解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)-==-=-=-AA RA A A A A A A AdF r dV F F X Q C X dF Q C dX故反应速率可表示为：000(/)==A AA A A R R dX dX r Q C C dV d V Q用X A ～V R /Q 0作图，过V R0.650.04 1.790.34α-==故CO 的转化速率为40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT4300 6.3810 1.79 1.1410/.min(/)--==⨯⨯=⨯AA A R dX r C mol l d V Q 2.3解：利用（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位换算成m 2/m 3。
33230.450.45330.45(1) 1.13100.053560.46/.6(2) 1.7810/.301011(3)()()0.05350.15080.1013..()8.3110700(4)()(0.05350.333(0.1）ρρρρ-==⨯⨯=-===⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯==⨯=v b w bbg w wvb n p w nc w k k kmol m h k k k kmol m h a kmol k k P kg h MPa m RT k k P km 0.45)().kmol ol kg h2.4解：由题中条件知是个等容反应过程，且A 和B 的初始浓度均相等，即为1.5mol/l ，故可把反应速率式简化，得1.50.522200.80.80.8(1)===-A A B A A A r C C C C X由（2.6）式可知00(1)⎡⎤⎢⎥⎣⎦--==-=A A A A A A d C X dC dX r C dt dt dt 代入速率方程式2200.8(1)=-A A A A dX C C X dt化简整理得00.8(1)=-AA A dX C dtX 积分得00.81=-AA AX C t X解得X A =82.76%。
2.5解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k 2值。
利用（2.27）试，求出频率因子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-⨯⨯-⨯⨯-=-===⨯-==⨯=⨯sususuE k A RT E A k e RT E k A e m MPa m hRT490℃的Kp 值由题给公式计算出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 求k 1值：22'112'22243 1.531(5.59210) 1.0551033()/.--===⨯⨯⨯=pp k K k K k k k m MPa m h求各组分的分压值：2233122+↔N H NH5716.0.14160*(-2)*2087.01.14160*2087.0*3-626.0 1y 13y y 1904.0 .14160*(-2)*2087.01)1416.0-(12087.0 1y y y 1416.05.6914.45*(-2)*2087.01*2087.0*211035.010.01y y y 22123211 %87.20Py , 1y y y 1000H H 000A A 00R 0R R 0000000＝＝－）＋－（＝，+=δ+-==+=δ+-===+--=δ+νν-=δ==δ+νν-=δ+νν-=A A A AA AA A AA A A AA AA A AA AA A i i AA A A A Aii i AA A A A Aii i X y X X y X X X X X X y X y p X y X X y X p p pP y i i p =各组分的分率及分压值为反应速率为：322321.5 1.541.5121.5333317.15333.0 5.718 1.05510317.154.02310/.(179.6/.)=-=⨯⨯-⨯⨯=⨯NH H N NH H p p r k p k p p m m cat h kmol m cat h2.6解： 图2.1 图2.2（1）可逆反应 可逆反应 （2）放热反应 吸热反应(3)M 点速率最大，A 点速率最小 M 点速率最大，A 点速率最小(4)O 点速率最大，B 点速率最小 H 点速率最大，B 点速率最小 (5)R 点速率大于C 点速率 C 点速率大于R 点速率(6)M 点速率最大 根据等速线的走向来判断H,M 点的速率大小。
2.7解：从题中可知，反应条件除了温度不同外，其它条件都相同，而温度的影响表现在反应速率常数k 上，故可用反应速率常数之比来描述反应速率之比。
400550119629011()()5505505508.314673823400400400exp()23exp()（倍）---=====-E R T T E A r k RT e e r k E A RT2.8解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：以100mol222233223320.1013 1.4/97.2 1.4610()0.10138.2/97.28.5510()0.1013 5.6/97.2 5.8410()0.101382/97.28.5510()---==⨯=⨯==⨯=⨯==⨯=⨯==⨯=⨯SO SO O O SO SO N N p Py MPa p Py MPa p Py MPa p Py MPa（2）求与上述组成对应的平衡常数K P 值：32230.50.5335.841043.261.46108.5510---⎛⎫⎪⎝⎭⨯===⨯⨯SO P SO op K p p(3)求平衡温度Telog 4905.5/ 4.64554905.5780.96.282=-==p e e K T T K(4)利用（2.31）式求逆反应活化能E 值4459.629109.21110 1.40310/2ν-⨯∆=-=⨯-=⨯su u r rr H E E J mol(5)利用（2.31）式求最佳温度T OP4780.9739.0048.314780.914.031ln 1ln 9.211(14.039.211)10===⨯++-⨯-su su u r u r eOP e T T KRT E E E E2.9解：反应物A 的消耗速率应为两反应速率之和，即22 1.616.4 1.6(110.25)=+=+=+A R D A A A A R r r C C C C利用（2.6）式1.6(110.25)-=+AA A dC C C dt积分之0001(1)10.2510.2511.6()ln(1)ln 10.2511110.250.6463/1.60.4038⎡⎤-+⎢⎥=--=--+⎰⎢⎥++⎢⎥⎣⎦==A A AC A A A C A A A X C t dC X C C C t h2.10解：以100mol 为计算基准，设X 为三甲基苯的转化率，Y 为生成的甲苯摩尔数。