聚合反应工程基础课后习题答案
第二章化学反应工程基础
1.说明聚合反应工程的研究内容及其重要性。
研究内容：①以工业规模的聚合过程为对象，以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础；②将一般定性规律上升为数学模型，从而解决一般技术问题到复杂反应器设计，放大等提供定量分析方法和手段；③为聚合过程的开发，优化工艺条件等提供数学分析手段。
简而言之：聚合反应工程研究内容为：进行聚合反应器最佳设计；进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
2.动力学方程建立时，数据收集方式和处理方式有哪些？
收集方式：化学分析方法，物理化学分析方法
处理方式：积分法，微分法。
3.反应器基本要求有哪些
①提供反应物料进行反应所需容积，保证设备一定生产能力；②具有足够传热面积；③保
证参加反应的物料均匀混合
4.基本物料衡算式，热量衡算式
①物料衡算：反应物A流入速度-反应物A流出速度-反应物A反应消失速度-反应物A积累
速度=0（简作：流入量-流出量-消失量-积累量=0）
②热量衡算：随物料流入热量-随物料流出热量-反应系统与外界交换热量+反应过程的热效
应-积累热量=0
5.何谓容积效率？影响容积效率的因素有哪些
工业上，衡量单位反应器体积所能达到的生产能力称之为容积效率，它等于在同一反应，相同速度、产量、转化率条件下，平推流反应器与理论混合反应器所需总体积比：η=Vp/Vm=τp/τm。
影响因素：反应器类型，反应级数，生产过程中转化率有关
6.何为平推流和理想混合流？
①反应物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一微元体积中流体均以同样速
度向前移动，此种流动形态称平推流；
②由于反应器强烈搅拌作用，使刚进入反应器物料微元与器内原有物料元瞬时达到充分混
合，使各点浓度相等且不随时间变化，出口流体组成与器内相等此流动形态称理想混合流。
7.实现反应器的热稳定操作需满足哪些条件？
① Qr=Qc，Qr体系放出热量；
②②dQc/dT>dQr/dT，Qc 除热量；
③③△T=T-Tw 8.何为返混？形成返混的主要原因有哪些？ 返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合；原因： ①由于物料与流向相反运动所造成， ②②由于不均匀的速度分布所引起的，③由于反应器结构所引起死角、短路、沟流、旁路等。 9.停留时间的测定方法有哪些，各适用于什么具体情况？ 阶跃示踪法→试验装置 脉冲示踪法→工业反应器 10.停留时间分布和返混之间有什么关系？研究流动模型有何意义？ 返混造成停留时间分布，二者有密切关系，可用停留时间分布定量描述；同类反应器中返混程度，而同一停留时间分布可由不同情况返混与之相适应。 意义：流动模型是为了研究反应器内流体的实际流动形态，在不改变其性质的前提下，对其加以适当的理想化，这种适当理想化的流动形态称为流动模型，所以流动模型是反应器中液体流动形态的近似概括，是设计和放大反应器的基础。 第四章化工流变学基础 1.简述流变学及其研究内容？ 流变学就是研究物质的变形和流动科学，其任务是使物质所具有多杂变形或流动现象更明确化、系统化、定量化、进一步把产生现象的机理上升到分子水平。 2.流体分类 按流体力学观点：分为理想流体和实际流体两大类。理想流体又称为无黏性流体，实际流体又称黏性流体，又可分为牛顿流体与非牛顿流体。 3.何为牛顿流体，非牛顿流体？非牛顿流体又有哪些类型？ 流动曲线通过坐标原点的一直线的流体称为牛顿流体；凡流动曲线不是直线或虽为直线但不通过坐标原点的流体称为非牛顿流体。 非牛顿流体分为三大类：非依时性（假塑性、胀塑性、宾汉流体）；依时性（触变性、震凝性）；粘弹性流体（入口效应、弹性回缩、爬杆效应、***） 4.高分子流体为什么多属于假塑性流体 大分子链的取向原因，大分子链为无规线团，彼此缠结，对流动阻力大，表现出较大的黏度。当流动而受较大剪切作用时卷曲缠结的大分子结构被拉直取向，伸直后大分子在液体层间传递动量作用较原来小，因而随γ增加，表现出η减小，因此多属于假塑性流体。 5.为什么触变性流体和震凝性流体有特殊的流变行为？ 由于在一定剪切条件下，流体的结构随时间而受到逐步破坏，受破坏结构在剪切作用停止作用后又可以恢复，体现出独特流动行为。 6.一般对于涂料类流体希望其具有何种流动特性，为什么？ 一般希望具有触变性。因为触变性可使涂料在受外力作用下变成易流动的液体，而当外力消失后又很快恢复到高黏性不流动状态，这样易于涂刷而又能保持涂刷后不流动，尤其适用于垂直面上的涂刷。 7.影响高分子流体流变行为的主要因素有哪些？如何对这些影响进行理论分析 影响主要因素有高聚物平均分子量、分子量分布、压力、温度、以及溶液浓度。 ①存在一临界分子量Mc，M>Mc，黏度急剧增加：M ②对分子量相近，分子量分布较宽的流体，比分子量分布较窄流体较早出现非牛顿流体转变，且分子量分布越宽，偏离牛顿流动也越远。 ③温度：温度增加，黏度η下降。对于柔性，温度对其影响不大，链段运动易，活化能小。 增加。临界浓度Cc，当C 为非牛顿流体，假塑性。 ⑤压力影响：压力影响流体自由体积，压力P增加，自由体积下降，引起黏度增加。 7.何为表观粘度？ 剪切应力与剪切速率的比值称为表观黏度，Ma=Z/r 8.非牛顿流体在圆管中的表观粘度是如何定义的 （Ua）p=管壁处剪切应力τ/流动特性=+++ 9.非牛顿流体的流动行为指数对流体在圆管中的流动行为和聚合反应结果有何影响 N下降，假塑性流体在管中流速分布比牛顿均匀；反应器中C、T、及径向分布也越均匀，分子量分布也越窄。 10.对非牛顿流体在圆管中层流流动规律进行研究有何重要意义？ 非牛顿流体与牛顿流体不同流动特性，二者动量质量传递特性也有所差别，进而影响到热量传递、质量传递、及反应结果。因此对流速分布及压力降等问题研究，不仅能决定管中流体输送量与功率消耗，同时能了解影响官式反应、塔式反应器中物料浓度、温度分布，进而影响反应速度和分子来那个分子分布情况。 第五章搅拌聚合釜内流体的流动与混合 1.搅拌器一般具有哪些功能？ 混合、搅动、悬浮、分散等 2.搅拌釜内的流体的流动分为哪两个层次 宏观：循环流动；微观：剪切流动。 3.循环流动的三个典型流动分别是什么？哪些流动对混合有利？哪些需克服？ 径向流动、轴向流动、切线流动；径向和轴向对混合有利，起混合搅动及悬浮作用；切线流动对混合不利。 4.何为打旋现象？如何消除打旋现象 当η不大，搅拌转速较高时，桨叶放在釜中心线时，液体将随桨叶旋转的方向沿着釜壁滑动，釜内液体在离心力的作用下，涌向釜壁，使液面沿壁上升，中心部分液面下降，形成一个旋窝，通常称打旋现象。消除打旋现象：偏心安装可减弱漩涡，安装挡板、加导流筒可有效消除。 5.试说出几种搅拌器的构型，特点和应用？ ①桨式搅拌器：桨叶构型为平桨、斜桨、锚形或框形桨者。特点：结构简单，转速低、桨叶面积大、平桨、斜桨适用于η为0.1-102Pa·s液体搅拌；锚式、框式对高η液体。 ②推进式搅拌器：三瓣叶片；适合湍流程度不高，循环量大。优点：结构简单，制造方便， 适用于液体η低，液量大液体搅拌。剪切作用不大，循环性能好。 ③涡轮式搅拌器：桨叶形式很多，有开式和闭式两类。应用较广并处理程度范围广液体。适用于低粘到中等程度液体混合，液液分散，液固悬浮及促进良好传热，传质，或化学反应。 ④螺杆及螺带式搅拌器：适用于高粘度液体。 6.搅拌器应满足哪些基本要求？选择搅拌器的基本方法是什么？ 保证物料混合，消耗最小功率，所需费用最低，操作方便，易于维修。选择基本方法： A.生产上对搅拌无特殊要求，可参照生产时所用类似搅拌经验地选择。 B.对搅拌有严格要求，且又无类似过程搅拌型式，应对设备工艺过程的操作类别，搅拌要求及经济性全面分析评价，找到主要控制因素进行选择适应型式 C.对于过程开发或生产规模很大工程，在一定试验基础上，研究出最佳搅拌器桨叶形式，尺寸及操作条件，再相似模拟放大进行设计计算。 选择搅拌器原则: (1)均相液体混合:主要控制因素容积循环速率。 (2)非均相液体混合：使互不相溶液体能良好分散。 (3)固体悬浮：容积循环速率和湍流强度。 (4)气体吸收及液相反应：保证气体进入液体后被打散，被气泡均匀的分散。控制因素：局部剪切作用、容积循环速率及高转速。 （5）高粘度体系控制因素：容积循环速率及低转速 7.搅拌器的功率消耗主要用于那些方面？计算搅拌器功率有何重要意义 搅拌器所消耗的能量；搅拌轴封所消耗；机械传动所消耗 意义：（1）搅拌功率是衡量搅拌强度的主要物理量；（2）是搅拌机械设计的基本数据；（3）根据搅拌功率的选用搅拌电机 8.从搅拌器的功率曲线可以得到哪些重要信息？ 功率函数；功率准数；雷诺数 1.Nre=1-10：曲线斜率为-1，搅拌层流区； 2.Nre=10-1000：搅拌过滤区； 3.Nre》1000:搅拌湍流区，为一水平直线 9.气液体系的搅拌功率与均相体系相比有哪些特点？ 液体中通入气体，降低了被搅拌液体的有效密度，因此也就降低了搅拌功率，搅拌功率可采用均相液体搅拌功率分析计算方法并加以修正。而大量通入气体时，开始出现大气泡，功率消耗不再明显变化，称“液泛”。 10.何为泵送指数？其对搅拌器计算有何重要作用 qd=Nqd*ND3，Nqd为泵送准数。包含了流体的流速和搅拌的泵送能力，反映了搅拌的剧烈程度 11.搅拌级别一般范围几个等级 10个等级 12.常用的搅拌桨叶直径的大致范围如何 选定桨叶直径与釜径比值 D/T=0.2~~0.8 平桨 0.5~~0.83 涡轮 0.33~~0.4 推进式 0.1~~0.33 13.何为颗粒雷诺数？骑在不同的范围时，密度差如何计算 NRe(p)=(dp·ut·ρ)/μ NRe(p)<0.3层流 >103 湍流 密度差：（ρp-ρ）/μ（层流） (ρp-ρ)/ρ（湍流） 14.聚合反应的搅拌级别一般选择几级 一般分为十个等级 15.悬浮程度与那些因素密切相关？ 桨叶转速越高，直径越大，颗粒沉粒沉降速度愈小，所得悬浮程度越高。 16.层流和湍流是=时的搅拌功率如何计算？为什么？ 因次分析：P=f(N、D、ρ、μ、g) 搅拌功率准数：Np=P/（ρN3p5 ），Np=NFrqf（NRe） NRe=DN2/g：搅拌弗鲁德准数层流区：P=KMN2D3 重力影响可忽略，即不考虑NFr 影响 Np=K NRe-1 湍流区：P=KρN3D5 湍流区功率曲线呈一水平直线与Re无关，Np为常数。 第六章搅拌聚合釜的传热与性质 1，聚合速率在聚合过程中一般有三种类型，其中那些对反应控制比较有利？可采用那些措施实现这种过程？ 减速型、加速型、匀速型 匀速型对反应控制有利，引发剂半衰期使用得当，也可逐渐或分批加入单体或催化剂使Rp保持均衡。 2，传热装置有哪些类型？ 夹套、内冷件、回流冷凝器、体外循环冷凝器 3，哪些反应不宜采用釜外循环热交换?为什么？ a对要求严格控制反应温度的一类聚合反应不宜采用液相外循环热交换装置应用于polymer，使物料下降5~10 ℃ b悬浮聚合造成结块也不宜 c 而对剪切敏感胶乳体系应慎用，因为循环泵r很大，易破坏胶乳稳定性 d本体聚合，体系黏度过大，泵送困难，也不宜 4，试概括传热速率方程和总传热系数方程，讨论提高反应釜传热能力有效措施？ Q=KA(ti—t0 ) Q：传热速率 A传热面积 Ti流体温度 To截热体温度 K传热系数 1/K= 1/αi+1/α0+ξδ/λ，αi、α0 釜内外壁传热同类系数ξδ/λ:导热部分总热阻δ：厚度λ：导热系数 增大传热面积，降低冷却水温度以扩大温差、提高总传热系数可提高传热速率 降低体系黏度、改善搅拌效果提高αi和K 重要途径 夹套中冷却水流提高K重要途径例夹套内安装挡板、扰流喷嘴、多点切向进水使水处于剧烈流动状态，提高α0 ξδ/λ减小：λ较高材质、设法降低黏釜物和挂胶现象及时进行清釜，改善冷却水水质以及水垢沉积 5.实现聚合釜安全操作应采取哪些基本措施？ P191 第七章搅拌聚合釜的放大 1.何为放大效应？为什么会出现放大效应?何为冷模试验？ 反应器放大后，一般会引起大小反应器间的热量、质量传递及流体流动状况等物理过程变化，造成两者速度、温度、浓度分布及停留时间分布的差异，影响反映结果效应称之为放大效应掌握设备的几何尺寸及操作条件对搅拌釜内动量、热量、质量、停留时间分布和微观混合的定量关系的试验称冷模试验 2.在工程上有哪几种放大方法？简述各种放大方法基本原理？ 放大方法有;数模放大法相似放大法逐级经验放大法 数模放大法：通过动力学研究和模式确定催化剂种类、反应物浓度、温度、反应时间、剪切等对反应速率、产物质量和收率的关系，并综合以一数学模型来描述 相似放大：在配方不变的前提下，不论反应机理如何，若工业反应器中速度分布、浓度分布，温度分布和停留时间分布均与反应器相同，两者反应后果也必然相同 四种分布并非独立，相互呈复杂制约关系，找出对反应后果影响最大的关键混合参数及其适应的范围，并以此混合物参数作为放大准则 3.如何理解和应用相似放大？ 相似放大着眼于如何在工业反应器中复现模拟反应器结果。相似放大应用于搅拌聚合釜. 1.搅拌设备传热放大可分为按动力相似放大，按传热系数相等放大、按单位体积传热速率不变放大、按搅拌聚合釜搅拌放大。 4.根据传热系数放大方程，并假定b=0.5、讨论在保持大小釜的搅拌叶的叶端速度相等，和大釜叶端速度为小釜二倍叶端传热系数变化？ 5.搅拌釜传热可采用哪几种方法放大 动力相似，叶端速度相等，给热系数相等，单位体积输入搅拌功相等，单位体积传热速率不变，总传热系数K放大 6.几何相似系统中，概括N。。。。。 第一章习题 1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系? 答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。 2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么? 何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么? 答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。 3 若将反应速率写成t c r d d A A - =-，有什么条件? 答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。 4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器? 答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。 5 现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。 (1)A+2B ?C A+C ? D (2)A+2B ?C B+C ?D C+D →E (3)2A+2B ?C A+C ?D 解 (1) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B A 1C C 22B A 1B D 4C A 3C 22 B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= (2) E 6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22 B A 1C D 4C B 3C 22 B A 1B C 22B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-= (3) D 4C A 3D D 4C A 3C 22B 2A 1C C 22B 2A 1B D 4C A 3C 22B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= 6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65× 104m 6kmol -2s -1。现以气相分压来表示速率方程，即(?r A )=k P p A p B 2 ，求k P =?（假定气体为理想气体） 解 () 3 -1-363 111 2643c P 2 B A p A 2 B A c 2 B A c A 1264c kPa s m kmol 10655.1K 303K kmol kJ 314.8s kmol m 1065.2)(s kmol m 1065.2K 30330273--------??=???= ==-? ? ? ??==-= ?==+=RT k k p p k r RT p RT p k c c k r RT p c k T 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）反应的选择性； （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 2由甲醇的转化率达72%2y x +=72%; 4 .27x =69.2% 解得x=18.96; y=0.77 所以，反应器出口气体组成为： CH 3OH: %1002 21004.27?+ +--y x y x =6.983% 空气： %1002 210023279.54?+ +-- y x y x =40.19% 水： %10022100281.17?+ +++y x y x =34.87% HCHO: %10022100?+ +y x x =17.26% CO 2: %1002 2100?+ +y x y =0.6983% 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。下图是生产流程示意图 放空气体 Akmol/h 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 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 第7章化学反应工程习题答案 7-1 试述物理吸收与化学吸收的区别。 解：对于物理吸收过程*=A A A P H C 0 对于化学吸收过程* * +=A A B A P P C C αα10 ,式中A KH =α，其中K 为化学平衡常 数；0B C 为吸收剂中的活性组分浓度；0A C 是与A 组分分压*A P 平衡的气体浓度；A H -A 组分溶解度系数。从以上两式可以看出物理吸收和化学吸收区别如下： 1．物理吸收气体溶解度与气体压力呈正比关系，化学吸收呈渐近线关系，当分压较高时，气体溶解度趋近化学计量的极限，因此为了减低能耗，导致操作方式不同，压力较低宜采用化学吸收，压力较高宜采用物理吸收。 2．热效应不同，物理吸收热效应较小，每摩尔数千焦耳，而化学吸收可达数万焦耳。导致吸收剂的再生方式不同，物理吸收过程吸收剂减压再生为主，化学吸收过程的吸收剂再生除减压外还需加热。 3．物理吸收选择性主要体现各种气体在溶解度系数的差异，而化学吸收取决于A KH =α，由于化学反应特定性，吸收选择性不同。化学吸收选择性高于物理吸收。 7-2解释下列参数的物理意义：无因次准数M 、增大因子β及液相利用率η。分别写出一级不可逆和二级不可逆反应无因次准数M 的计算式。 解：无因次准数M 的物理意义 通过液膜传递速率 液膜内的化学反应速率 增大因子β的物理意义为速率 单纯物理吸收时的传质过气液界面的传质速率 液膜内有化学反应时通 液相利用率η的物理意义为的反应速率液相均处于界面浓度下吸收速率 对于一级不可逆反应211L AL L L k k D k k M ==δ 对于二级不可逆反应2 2L BL AL k C k D M = 7-3 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应，假定液相上方水蒸气分压可不 计，试按双膜模型绘出气相及液相二氧化碳浓度分布示意图。 解： 气模 液膜 P CO2,g P CO2,i C CO2,i C CO2,L 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+? 22 122111 B B A B C 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 C H C O O H O C H C O O C 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 =，2 92O p m m H g =。 24()C H p m m H g 70 100 195 247 315 465 5 010(/) r m ol hr g ??催化剂 3.9 4.4 6.0 6.6 7.25 5.4 注：1mmHg=133.322Pa 1 绪 论 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） （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： （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 mol n 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 1. 1. 2其主副反应如 下： 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 原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 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 ) 2 O 3.55%,C 3 H 9 OH 1.10%,H 2 O 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 2 5.38g。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 i i i i i m i i 。 M’ 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 《化学反应工程》试题 一、填空题 1. 质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一 反. 2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累 积 。 3. 着眼组分A 转化率x A 的定义式为 x A =(n A0-n A )/n A0 。 4. 总反应级数不可能大于 3 。 5. 反应速率-r A =kC A C B 的单位为kmol/m 3·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kmol ·h 。 6. 反应速率-r A =kC A 的单位为kmol/kg ·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kg ·h 。 7. 反应速率2 /1A A kC r =-的单位为mol/L ·s ，速率常数k 的因次为 (mol)1/2·L -1/2·s 。 8. 反应速率常数k 与温度T 的关系为2.1010000lg +-=T k ，其活化能为 mol 。 9. 某反应在500K 时的反应速率常数k 是400K 时的103倍，则600K 时的反应速率常数k 时是400K 时的 105 倍。 10. 某反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，则该反应的活 化能为（设浓度不变） mol 。 11. 非等分子反应2SO 2+O 2==2SO 3的膨胀因子2 SO δ等于 。 12. 非等分子反应N 2+3H 2==2NH 3的膨胀因子2 H δ等于 –2/3 。 13. 反应N 2+3H 2==2NH 3中（2 N r -）= 1/3 （2 H r -）= 1/2 3 NH r 14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为 C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度 为 C A0(1-x A )n ，转化率为 1-(1-x A )n 。 15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为 C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度 为 A A x n x )1(11-+-，转化率为A A x n nx )1(1-+。 16. 反应活化能E 越 大 ，反应速率对温度越敏感。 17. 对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越 大 。 18. 某平行反应主副产物分别为P 和S ，选择性S P 的定义为 (n P -n P0)/ (n S -n S0) 。 检测方法及方法确认作业指导书 天津大学：《反应工程》（第二版） 习题答案 1 绪论 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（X）达72%，甲醛的收率（Y）为69.2%。试计算：（1 ）反应的选择性（S）；（2）反应器出口气体的组成（摩尔分率%）。 解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为： （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）， 设甲醇的转化率为X A ，甲醛的收率为Y P ，根据（1.3）和（1.5）式可得反 应器出口甲醇、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 mol，n 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 组分摩尔数（mol）摩尔分率% CH 3 OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2 O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.39 组分摩尔分率y i0 摩尔数n i0 (mol) CH 3 OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 天津大学硕士研究生入学考试复试课考试大纲 课程编号：课程名称：反应工程 一、考试的总体要求 本门课程旨在考察学生掌握反应工程基本知识的程度，进行反应器设计的初步能力以及确定反应器操作方式和反应过程分析的水平。 考试的基本要求应满足应试学生达到天津大学本科生反应工程课程学习的优良水平。 二、考试的内容及比例：（重点部分） 1、化学计量学（约10%） 反应进度、转化率、收率和选择性，化学计量关系，独立反应数。 2、反应动力学基础（约15%） 均相反应动力学，气固相催化反应本征动力学及宏观动力学。 3、理想反应器（约30%） 间歇反应器，全混流反应器，活塞流反应器 4、停留时间分布（约10%） 停留时间分布的实验测定、定量描述及统计特征值，理想反应器的停留时间分布。 5、非理想流动模型和非理想反应器设计（约15%） 离析流模型，多釜串联模型，轴向分散模型，反应器中流体的混合。 6、气固催化固定床反应器设计（约10%） 固定床内的传递现象，固定床反应器的数学模型及设计方法。 7、反应器的操作（约10%） 反应器的等温操作、绝热操作、换热操作，反应器的恒容与变容、间歇与连续操作，反应器的定态操作和定态稳定性。 三、试卷题型及比例 简答题20% 计算题70% 论述题10% 四、考试形式及时间 考试形式为笔试。 关于复试： 笔试反应工程： 一共四道大题 1.连串反应进行到一定时间计算目的产物的收率，非常简单！ 2.给你一个响应曲线，一个分布时间概率密度函数和一个简单的反应，让你评价 这两个反应器的流动状态，我当时就是计算了他俩的期望和方差，并根据他的期 望和方差，选择合适的模型。 3.内扩散因子的计算，是球形催化剂，比较简单就是带公式。 4.给你几个条件，给据朗格缪尔理想吸附模型推导反应机理，这个没有做出 来。 总体感觉还是有些难度吧，我答得一般这四道题满分一共65分，也就是说面试占 120分！专业英语15分！ 面试：今年面试顺序按排名，面试题目是抽签决定的。两个信封一个是实验一个 是综合知识，绝大多数是化原，还有少量物化！ 以及化原和物化的基础知识。 我把我在考场外听到的几道题写在这里： 1.测定直管阻力的实验中什么时候用差压变送器，什么时候用U形管。 2.吸附与吸收的区别 3.过氧化氢催化分解速率常数受什么影响？ 4.萃取精馏原理，举个例子！ 5.什么是溶液，溶剂，溶质？等等 当然他会问些小问题。总之老师很和蔼不排外，我就是外校的。每人大约10 分钟左右。 英语面试： 一道专业英语的汉译英，要看下专业词汇基本的，如单元操作，热力学，组分等。之后他会直接问你问题，家乡啊，大学啊等等比较轻松，如果你卡住了老 师会给你解围的，差距都不大！ 希望2011年考天大的同学考出好成绩，梦圆天大！！ 化学反应工程试题答案 一、单选题：（共60小题，每题0.5分） 1、化学反应工程是研究如下问题的学科：（A） A、化学反应器工程问题 B、化工单元操作 C、反应器特性 D、传递特性 2、化学反应工程研究的对象是：（A） A、化学反应器 B、单元操作 C、化工流程 D、化学工艺 3、连续操作的反应器的独立变量为（C） A、浓度 B、反应时间 C、反应器体积大小 4、理想混合的间歇反应器的独立变量为（B） A、反应速率 B、反应时间 C、反应空间 5、连续操作的理想混合流反应器的独立变量是：（C） A、反应物浓度 B、反应时间 C、反应空间 6、间歇操作的反应器所具有的特点包括：（A） A、参数随时间变化 B、参数随空间变化 C、累积量为零 D、累积量不为零 7、在对理想的全混流反应器进行物料衡算时，下面哪些量为零：（D） A、流入量 B、流出量 C、反应量 D、累积量 8、在对定常态操作的反应器进行物料衡算时，下面哪些量为零：（D） A、流入量 B、流出量 C、反应量 D、累积量 9、稳定的定常态操作点符合如下条件：（A） A、移热速率大于放热速率 B、移热速率小于放热速率 C、移热速率等于放热速率 10、若CSTR的某一操作点是稳定的定常态操作点，则该操作状态具有的特点是：（C） A、移热速率大于放热速率 B、移热速率小于放热速率 C、移热速率等于放热速率 11、在CSTR中进行一级不可逆反应，最多可以有几个定常态操作点？（D） A、0 B、1 C、2 D、3 E、4 12、对于反应级数大于零的反应，下述情况哪种容积效果最高？（C） A 、单釜CSTR B 、多釜CSTR C 、PFR 13、对于自催化反应，下述情况哪种容积效果最高？ （A ） A 、CSTR 串联PFR B 、最优循环比下操作的PFR C 、CSTR 14、稳定的定常态操作的CSTR 反应器在该操作点下列情况是必然成立的： （B ） A 、移热速率等于放热速率 B 、移热速率大于放热速率 C 、移热速率小于放热速率 15、对于级数大于零的自催化反应，其动力学线（()A A x ~r 1-）一般存在一个极值，下述情况哪种容积效果最高？ （D ） A 、单釜CSTR B 、多釜CSTR C 、PFR D 、CSTR 串联PFR 16、对于反应级数小于零的反应，下述情况哪种容积效果最高？ （A ） A 、单釜CSTR B 、多釜CSTR C 、PFR 17、对于绝热的放热反应，下述哪种操作方式的容积效果最高？ （A ） A 、CSTR 串联PFR B 、最优循环比下操作的PFR C 、CSTR 18、平推流反应器的空时与反应时间之间的关系下列哪种说法正确？ （C ） A 、总是相等 B 、总是不相等 C 、不确定 19、全混流反应器的空时与反应时间之间的关系下列哪种说法正确？ （C ） A 、总是相等 B 、总是不相等 C 、不确定 20、平推流反应器中进行恒温、恒压等分子气相反应时，空时与反应时间之间的关系下列哪种说法正确？ （A ） A 、总是相等 B 、总是不相等 C 、不确定 21、间歇反应器的反应转化率与反应器大小之间下述说法哪些正确？ （B ） A 、与反应器大小有关 B 、与反应器大小无关 C 、不确定 22、在对间歇反应器进行设计时，反应器体积大小与下述哪个因素有关？ （B ） A 、反应时间 B 、单位时间处理量 C 、不确定 23、从反应器的停留时间分布测定中求得无因次方差98.02=θσ，则反应器可近视为： （B ） A 、理想的平推流反应器 B 、理想的全混流反应器 C 、理想混合间歇反应器 24、从反应器的停留时间分布测定中求得无因次方差02.02=θσ，则该反应器可近视为： （A ） A 、理想的平推流反应器 B 、理想的全混流反应器 C 、理想混合间歇反应器 第一章 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：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。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（）式得反应的选择性为： （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当 A P 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 )= mol n P =n A0 Y P = mol n C =n A0 (X A -Y P )= 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 = mol n O =n O0 -1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0 = mol 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： 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 H 2 CO 2 CH 4 N 2 粗甲醇的组成为CH 3OH %,(CH 3)2O %,C 3H 9OH %,H 2O %,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 ,CO ,H 2 ,CH 4 ,。若循环气与原料气之比为（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 第二章 均相反应动力学 1、有一反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，反应物转化掉80％，经过18min 后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。 2A A min 18A0min 8A0A A A0d d 2 19.019.0181)(21 8.018.081)(11kc t c kc kc x x c kt =-= -?== -?=-?= 为假设正确，动力学方程 3、 在间歇反应器中有一级液相可逆反应P A ?，初始反应时C A0=0.5mol/L ，C P0=0 反应8min 后，A 的转化率为1/3，而平衡转化率是2/3，求此反应的动力学方程式。 解：p A A C k C k dt dC 21-=- 210021 22)1(k k x C x C C C K k k Ae A Ae A Ae Pe ==-===即 根据一级可逆反应积分式 1212121min 08664.08 2 ln 3 1 3 2ln 18ln 1-== +∴+=-+=k k k k x x x k k t A Ae Ae 121 1min 02888.0min 05776.0--==∴k k P A p A A C C C k C k dt dC 02888.005776.021-=-=- 5、恒温恒容的气相反应A →3P ，其动力学方程为V n k dt dn V r A A A =- =-1)(，在反应过程 中系统总压p t 及组分A 的分压均为变量，试推导 )(A t p f dt dp =的表达式。 解：A t A A A t A A A A A A A A t A A t A A A t kp dt dp RT p k kc V n k dt dp RT dt dp RT dt dp RT dt dc r V n k dt dn v r dt dp dt dp p p p p p p p 221211(1)(22)(3)0 0======-=-=-=-=--=--=-+=得即 8、纯气相组分A 在一等温等容间歇反应器中按计量式P A 5.2?进行反应，实验测得如下 数据， 时间/min 0 2 4 6 8 10 12 14 ∝ 分压p A /MPa 0.1 0.08 0.0625 0.051 0.042 0.036 0.032 0.028 0.020 用积分法求此反应的动力学方程式。 解：由于当∞→t 时，02.0=A p 常数，因此假设为一级可逆反应。 ）即，即，达到平衡时，020220 20220212 1212 10215 1 (5.125.25.125.25.210)(5.2101002 .02.02.0)02.01.0(5.2)(5.25.2A A A A A A A A A A A Ae pe pe Ae A A p p A A p p k p k p k p k p k p k p p k p k dt dp k k p p k k RT p k RT p k MPa p p p c k c k dt dc p A e - =-=-+-=-?-=- ====∴ ==-=-=-=-→∞ 第一章 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） （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： （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 mol n 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 1. 1. 2 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 原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h 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 ) 2 O 3.55%,C 3 H 9 OH 1.10%,H 2 O 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 2 5.38g。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 i M’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 李绍芬《反应工程》课后习题答案 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），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0 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 mol n 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 组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.39 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 +?+ 《化学反应工程》课程习题集 一、单选题 1.某反应的速率常数k=0.0462－1，又知初始浓度为0.1mol.dm－3，则该反应的半衰期为: (A) 1/(6.93×10-2×0.12) (B) 15分 (C) 30分 (D) 1/(4.62×102×0.1)分 2.某一级反应, 当反应物的浓度降为起始浓度的1％时,需要t1秒, 若将反应物的浓度提高一倍, 加快反应速率, 当反应物浓度降低为起始浓度的1％时, 需时为t2, 则: (A ) t1﹥t2 (B) t1=t2 (C) t1﹤t2 (D) 不能确定二者关系 3.某反应物反应掉7/8所需的时间恰好是它反应掉1/2所需时间的3倍, 则该反应的级数是: (A) 零级 (B) 一级反应 (C) 三级反应 (D) 二级反应 4.若两个相同类型的气相双分子反应的△H⊙值相等, 又在400k时,它们的活化熵之差△S1⊙-△S2⊙=10 J.mol-1,则两反应的速率常数之比为: (A) K1/K2=0.300 (B) K1/K2=0.997 (C) K1/K2=1.00 (D) K1/K2=3.33 5.对反应A+B→C, 由下列数据 C A0/mol.dm-3 C B0/mol.dm-3 r0/ mol.dm-3 1.0 1.0 0.15 2.0 1.0 0.30 1.0 2.0 0.15 则该反应的速率方程为: (A) r=K C B (B) r=K C A C B (C) r=K C A (D) r=K C A C B2 6.一个反应的活化能是33kJ·mol-1, 当 T = 300K 时，温度每增加1K，反应速率常数增加的百分数约是___。 A. 4.5% B. 90% C. 11% D. 50% 7.下列叙述正确的是_ 。 A. 吸热反应的活化能比放热反应的活化能高 B. 一个反应的反应速率与化学方程式中出现的所有作用物浓度都有关 C. 催化反应的速率与催化剂的浓度无关 D. 反应速率常数与作用物浓度无关 8.关于催化剂的使用，下列叙述中不正确的是_ 。 A. 能够加快反应的进行 B. 在几个反应中，能选择性的加快其中一二个反应 2010级第一章习题参考答案 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： 0.629 Y S0.961196.11% 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 A P 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 mol n 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 解二：（1）根据定义：目的产物收率 L A Y= A 消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量 目的产物选择率 L A S= A 消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量 反应物的转化率 A A A x 转化了的关键组分的量＝ 进入反应系统的的初始量 转化率、收率和选择率的关系Y=S A x 已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2% 则 % 11 . 96 % 72 % 2. 69 3 = = = OH CH HCHO x Y S 6.1、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 为纵座标，径向距离r 为横座标，针对下列三种情况分别绘出产物B 的浓度分布示意图。 （1） 化学动力学控制 （2） 外扩散控制 （3） 内、外扩散的影响均不能忽略 图中要示出C BG ，C BS 及C Be 的相对位置，它们分别为气相主体、催化剂外表面、催化剂颗粒中心处B 的浓度，C Be 是B 的平衡浓度。如以产物A 的浓度CA 为纵座标,情况又是如何? 解(1)以产物B 的浓度为纵座标 (2)以产物A 的浓度为纵座标 6.3 某催化剂,其真密度为3.60g/cm3,颗粒密度为1.65g/cm3,比表面积为100m2/g.试求该催化剂的孔容,孔隙率和平均孔半径. 解: =-=<>=<>====3(1),0.5422/,65.6/0.542/1.650.328/p t p p a p r p a g p p r S r A V cm g ρρεεερερ由得由得由催化剂 6.13 在150℃,用半径100μm 的镍催化剂进行气相苯加氢反应,由于原料中氢大量过剩,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, 测得反应速率常数k p =5min -1, 苯在催化剂颗粒中有效扩散系数为0.2cm 2/s,试问: (1) 在0.1Mpa 下,要使η=0.8,催化剂颗粒的最大直径是多少? (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,重复上问 的计算. (3) 改为液相苯加氢反应,液态苯在催化剂颗粒中的有效扩散系数10-6 cm 2/s. 而反应速率常数保持不变,要使η=0.8,求催化剂颗粒的最大直径. 解 : ()= =?? - ? ???(1)0.107611tanh 33p d φηφφφ1由(6.60)式= 用试差法从上二式可解得当η=0.8时,需d p <6.36cm (2)2.02Mpa 时,De ≈0.2×0.101/2.02=0.01 cm 2/s,与此相对应 : = =0.418p d φ 同上法可求得当η=0.8时,需d p <1.42cm (3)液相反应时,De=1×10-6cm 2/s,与此相应的φ为21.51dp,同上法可求得当η=0.8时,需d p <0.0142cm. 6.14 一级不可逆反应 A B,在装有球形催化剂的微分固定床反应器中进行温度为400℃等温,测得反应物浓度为0.05kmol/m 3时的反应速率为 2.5 kmol/m 3床层﹒min ,该温度下以单位体积床层计的本征速率常数为k v =50s -1 ,床层孔隙率为0.3,A 的有效扩散系数为0.03cm 2/s,假定外扩散阻力可不计,试求: (1) 反应条件下催化剂的内扩散有效因子 (2) 反应器中所装催化剂颗粒的半径 ()===== --= =-==?? ?31 71.43/18.13500.05/p v B B B v v v p B p A v AS V k V V V k k k l s V V V d R k C kmol s m εεφηηp p 解:k k 床层 实验测得(-R A )=0.0417 kmol/s ﹒m 3床层, 解上二式得η=0.0167,可见内扩散影响严重. 由η=1/φ=1/8.13dp=0.0167,可解出dp=7.38cm,即反应器所装催化剂的颗粒半径为3.69cm. 6.15 在0.10Mpa,530℃进行丁烷脱氢反应,采用直径5mm 的球形铬铝催化剂,此催化剂的物理性质为:比表面积120m 2/g,孔容0.35cm 3/g,颗粒密度1.2g/cm 3,曲节因子 3.4.在上述反应条件下该反应可按一级不可逆反应处理,本征反应速率常数为0.94cm 3/gs,外扩散阻力可忽略,试求内扩散有效因子. 1 绪 论 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：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。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（）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：（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 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 )= mol n P =n A0Y P = mol n C =n A0(X A -Y P )= 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 = mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C = mol n N =n N0= mol 所以，反应器出口气体组成为： ? ? 1. 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。下图是生产流程示意图 Bkg/h 粗甲醇 100kmol 放空气体化学反应工程第一章习题答案
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