化学反应工程--第2章-理想反应器全解
《化学反应工程》复习题及答案全解
单选题1. 对于反应级数n ＞0的不可逆气相等温反应,为降低反应器体积,应选用_______。
（A ）（A ）平推流反应器 （B ）全混流反应器（C)平推流串接全混流反应器 （D ）全混流串接平推流反应器2. 分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项_______.（P22）(A ）加料时间 (B)反应时间 （C ）物料冷却时间 （D)清洗釜所用时间3. 下列单位不属于反应速率的是_______。
（P13）（A)mol/(g ﹒s) (B ）m 3/s （C ）mol/（m 2﹒s) (D)mol/（m 3﹒s)4．反应 A B C →+,12.50 k s -=，则反应级数为_______。
（P 13）A ． 0 (B)1 （C ）2 （D ）35。
反应NaOH + HClNaCl + H 2O ，已知mol s l k /1.0⋅=，则反应级数n=_______。
(P 13）（A ）0 (B ）1 （C)2 （D ）36. 气相基元反应 B A →2，进料时反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，则膨胀率为_______。
(P58）(A ）-1 （B ）-0。
25 (C ）0。
25 (D)0.57。
下面反应器中不属于理想反应器的是_______。
（P21）(A ）间歇反应器 (B ）全混流反应器 （C ）平推流反应器 (D ）膜反应器8。
下面哪种反应器组合形式可以最大程度降低反应器体积_______。
（B ）（A ）平推流反应器串联 （B ）全混流反应器串联（C)平推流反应器并联 （D ）全混流反应器并联9. 在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，0.01 /A A r C mol L s -=⋅，当C A0=1 mol/L 时,求反应至C A0=0。
01 mol/L 所需时间t=_______秒。
（P43)(A ）400 （B)460 （C)500 (D)56010. 在间歇反应器中进行等温二级反应A → B ,20.01 /A A r C mol L s -=⋅，当C A0=1 mol/L 时,求反应至C A0=0.01 mol/L 所需时间t=_______秒。
化学反应工程第二章题解
s 习 题2－1、 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应3223222222232 4CH OH O HCHO H O CH OH O CO H O+?+?进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸汽＝2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2％，试计算： （1）反应的选择率； （2）反应气体出口组成。
解：（1）由Y S x =⋅得： 06920961072Y .S .x .=== (2) 以进口气体含甲醇2mol 、含空气4mol 、含水蒸汽1.3mol 为计算基准。
参加反应的甲醇的量：2×0.72＝1.44（mol ）出口气体含甲醇：2－1.44＝0.56（mol ）主反应消耗的甲醇：1.44×0.961＝1.38384（mol ） 主反应消耗的氧气：1.38384/2=0.69192（mol ） 主反应生成的甲醛：1.38384（mol ） 主反应生成的水： 1.38384（mol ）副反应消耗的甲醇：1.44×0.039＝0.05616（mol ） 副反应消耗的氧气：0.05616×1.5=0.08424（mol ） 副反应生成的二氧化碳：0.05616（mol ） 副反应生成的水份：0.05616×2=0.11232（mol ）因此，反应气体出口组成如下： 甲醇：0.56（mol ） 甲醛：1.38384（mol ）氧气：4×0.21－0.69192－0.08424＝0.06384（mol ） 氮气：4×0.79＝3.16（mol ） 二氧化碳：0.05616（mol ）水蒸汽：1.3＋1.38384＋0.11232＝2.79616（mol ）折算成摩尔百分比，出口气体含甲醇、甲醛、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸汽的分率分别为：7.0%、 17.3%、0.8%、 39.4%、0.7%、34.9%2－2 、试推导 n 级不可逆反应的反应速率常数 C p k k 和的量纲。
化学反应工程第二章解析
第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。
在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。
计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。
二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。
反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。
32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。
k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。
(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。
(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。
E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。
k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。
a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。
化学反应工程--第2章-理想反应器全解
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2019年11月24日星期日
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
（-rA）=kCACB
式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1
求：
●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应 时间分别为多少？
cR cA0xA
cS cS0 cA0 xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2019年11月24日星期日
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0 K
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。
由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T)
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
化学反应工程习题及答案二
1. 化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。
（分批式操作、连续式操作、半间歇式）2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。
化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。
（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！8. 如果平行反应)()(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应_____。
(提高温度)9.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]8.全混流反应器的返混_______。
（最大） 平推流反应器的返混为_______。
（零）9.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞）12.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0）13.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1）14.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）15.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
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
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。
（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
反应工程答案
第二章 均向反应动力学1.在473K 等温及常压下进行气相反应：（1）3→A R 1.5R A r C = （2）2→A S0.5S Ar C =（3）→A T 2.1TA r C= 式中C A 为反应物A 的浓度（kmol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：先求出总摩尔变化数δA ，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：10.53AR R A r r C ==10.252AS S A r r C == 2.1AT T A r r C== 总反应速率为： 2.85A AR AS AT AR r r r C =++= 以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：0.50.25 2.13210.4392.85 2.85 2.85A δ=⨯+⨯+-=初始浓度为：200030.10130.5 1.28810/8.31410473A A P y C kmol l RT --⨯===⨯⨯⨯则有：2300(1) 1.288100.151.62810/110.50.4390.85A A A A A A C X C kmol ly X δ---⨯⨯===⨯++⨯⨯332.85 2.85 1.62810 4.64010/(.min)A A R C kmol l --==⨯⨯=⨯2.可逆一级液相反应PA −−←−→−，已知0,m kmol 5.0P030=⋅=-c c A ；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，A 的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。
解：()()x c k x c k txc t c x c c x c c c c k c k c k c k tc r A02A01A0A A0P A0A A A02A 1P 2A 1AA 1d d d d )1(d d --==-=-=--=-=-=-⎩⎨⎧=====+-+-=xx t t x t txk k k xx k k k tx,0,0d )(d )(d d 2112118333.022667.01667.01)1()(ln 121e e e 0A e 0A Ae Pe 21121121=====-=-=-====+-+-t x k k K x x x c x c c c k k K t k xk k k k k ()PA A A 1211212121212102888.005776.0d d min02888.0min 05776.02/08664.086931.05.0ln 18333.02111ln 1c c tcr k k k k k k k k k k k k -=-=-⎩⎨⎧==⎩⎨⎧==+=+=+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+--- 3.液相自催化反应的动力学方程A+P-P+P 速率表达式00()/(.) c 0.95/ c 0.05/AA A P A P dc r kc c mol l h mol L mol L dt -=-===，1h 后测得速率最大值，求反应速率常数。
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即： dT dxA
dt
dt
初始条件：t=0：T=T0 + β(xA-xA0)
数）
（使对t的积分变为单参
将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法 或数值法求解。
Return
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
t ：反应时间
t0 ：辅助时间
●若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大 小，装填系数φ=0.75，单釜生产。
解：
●求达到一定的转化率所需时间：
计量方程式中， A 1 B
A、B的初始浓度相同，则反应
动力学方程可写为：
( rA ) kCA2
由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知
xA dxA 0 (rA )
CA dCA CA0 (rA )
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
(rA ) k(T) f (C)
一般采用图解法或数 值法求解。
特例：
绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0
则：(-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容 积。
t
CA0
xA 0
dxA (rA )
CA0
xA 0
dxA kCA0 (1 xA )
1 ln 1 k 1 xA
VR
v(t
t0)
v( 1 k
ln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
T= 436+166xA
（操作方程）
t C A0
dx xAf
A
0 ( rA )
（设计方程）
-rA=kCA0(1-xA)
（动力学方程）
（1） （2） （3）
式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表示：
k
k0
exp
Ea RT
联立（1）-（4）式可得反应时间t。
（4）
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
t
4.76
104
1 3.908
4.434
ln
5.15 5.15
4.434 4.434
0.35 0.35
2 2
2.62 2.61
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 K
1 1 0.6575 2.92
t
1 k1cA0
xA
0 axA2
dxA bxA
c
k1cA0
2019年10月30日星期三
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。
由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T)
2019年10月30日星期三
间歇式完全混合反应器
2019年10月30日星期三
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
2019年10月30日星期三
等温操作
等温操作（动力学k为常数） 可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。
例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为 v，动力学方程为：
（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)
由于原料液中A:B:S=1:2:1.35
1 2 1.35 4.35kg 原料液中含1kg乙酸
原料液量为： 16.23 60 4.35 4.155m3 / h
1020
2019年10月30日星期三
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3.908mol / l
cB0
cR cA0xA
cS cS0 cA0 xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2019年10月30日星期三
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0 K
(-△Hr)(-rA)V
d (Cv TV )
dt
UA(Tm-T) + (-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
符号说明：
U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；
A----传热面积(m2)；
Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
下等温操作，其反应速率方程如下：
2019年10月30日星期三
rA k1cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104l /mol min
平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应 体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为 0.75，则反应器的实际体积是多少？
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
2019年10月30日星期三
实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
2019年10月30日星期三
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2019年10月30日星期三
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
2019年10月30日星期三
分析：
求V
V VR
t f
求 VR
VR Q0 t t0
t0 已知
求 Q0和
已知
Q0
2019年10月30日星期三
设计方程
t
解：首先计算原料处理量 Q0
每小时的乙酸用量为：
12000 12000
M R 88 16.23kmol / h
24 xA 24 0.35
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2019年10月30日星期三
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2019年10月30日星期三
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
（-rA）=kCACB
式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1
求：
●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应 时间分别为多少？
求解过程：
用式（1）给定xA后求T，用参数计算式求k，然后将（2） （3）式联立即得：
t
xAf 0
dxA k(1 xA
)
xAf 0
Z
dxA
其中：
Z
1 k( 1
xA
)
利用数值法求解（梯形公式）：
解：
绝热操作时有:
T=T0+β(xA-xA0)
xA0=0
所以，
T=T0+β xA= T0+
Hr CA0
cv
xA =
T0
H r cv
C A0
xA
= (273+163) - 347.5 C A0 VR xA cv VR
T= 436+166xA
的操作设计； 3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器