化学反应工程陈甘棠第三章
化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案【整理版】
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tc rd d AA -=-，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 ↔CA+C ↔D 解(1)D4C A 3D D 4C A 3C 22BA 1C C22B A 1B D 4C A 3C 22B 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)E6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22BA 1C D4C B 3C 22B A 1B C22B 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)D4C A 3D D 4C A 3C 22B2A 1C C22B 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。
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图 7-14 分布器的若干形式
（2）设计或选择分布板的基本要求 气体分布均匀，防止积料， 结构简单，材料节省，压降合理。
35cmH2O pd 10% ~ 20%pB
二、内部构件 （1）种类 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板，等。 （2）作用 传热，控制气泡聚并，改变气-固相流动和接触状况，减少颗 粒带出。
定的范围。
（2）带出速度 当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等， 则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终 端速度。 颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以 下公式计算：
ut
2 dp ( p ) g
18
2 2 1 3
Rep 0.4
三、流化床反应器的重要应用
石油催化裂化 丙烯-氨氧化制丙烯腈 萘氧化制邻苯二甲酸酐
煤燃烧与转化 金属提取和加工
7.2 流化床中的气、固运动
7.2.1 流化床的流体力学 二个特征速度：临界流化速度、带出速度 （1）临界流化速度 （umf） 刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速。 确定umf的方法 a. 实验测定
0.4 Rep 500
（7-14） （7-15） （7-16）
4 ( p ) g ut dp 225
3.1d p ( p ) g ut
1 2
500 Rep 200000
注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中检验。 存在大量颗粒的流化床中，粒
（ii）细颗粒床层中，气体操作流速的范围更宽。 （iii）实用操作气速的确定 a. 流化数 b.
u0 1.5 ~ 10 umf
u0 0.1 ~ 0.4 ut
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a. 对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径 。
dp 1 xi / d pi
式中, xi——颗粒各筛分的重量百分数； dPi——颗粒各筛分的平均直径；
dPi d1 d2 或 dPi (d1 d2 ) / 2
d1，d2 ——上、下筛目的尺寸。 b. 雷诺数中特性尺寸是颗粒的直径，密度和粘度是气体的物性。 d Pumf ρ Re P μ c.计算所得到的 u mf 要代入到雷诺数中，检验选用的公式是否符合规
（v）气泡占床层的体积分率 假设：进入床层的气流分为两个部分，一部分是以ub流动 的气泡，另一部分则以umf在乳相中流动。床层达到临界流态化 以后，床层高度增加的部分完全是气泡所作的贡献。 对气流进行物料衡算 （7-45）
u0 ubb umf (1 b ab )
故 或
（7-46） （7-47）
整理得
（7-2）
mf 是临 式中， S 是颗粒的形状系数，部分颗粒的 S 值可由手册查取。
界空隙率，其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若查不
到，可由以下二式估算。
1
3 S mf
14 ,
1 mf
2 S
3 mf
11
（7-5）
式（7-5）代入式（7-2）可导出
定的范围。
（2）带出速度 当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等， 则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终 端速度。 颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以 下公式计算：
ut
2 dp ( p ) g
18
2 2 1 3
Rep 0.4
0.36
化学反应工程陈甘棠第三章课件
cB cB0
rAkcB0cA kcA
2019/9/23
对A进行物料衡算：
输入 = v0cA0
输出 = 0
积累 = dVR cA
dt
反应 = rAVRkcAVR
v0cA 0rAV RdV d R cA t
v0cA0kcA VRdV d RcA t
2019/9/23
第三节 全混流反应器
1 、物料衡算
输入 = v0cA0
积累 = 0
输出 = v0cA
A的反应量 = rAVR
v 0 c A 0 v 0 c A ( r A )V R 0
v0cA 0v0cArA V R
2019/9/23
VR
v0
cA0cA rA
例 3-1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
C3H CO O C2H H 5OH C3H CO2H O 5H C 2O k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的 密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装 料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃ 下等温操作，其反应速率方程如下：
用直接迭代法或牛顿-拉夫森法求得满足上述关系的t值
2019/9/23
2.以生产费用最低为目标
AT
ata0t0aF VRCRMR
a 0 ：辅助操作费用
a ：单位时间内反应操作费用
a F ：固定费用 AT ：单位质量产品的总费用
2019/9/23
dA T dt
1
MRVR
acR
ata0t0
陈甘棠版化学反应工程第三章习题
1、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间t0不包括下列哪一项( )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2、在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，当slmolCrAA⋅=-/01.02时，求反应至所需时间t为多少秒.A. 8500B. 8900C. 9000D. 99003、在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间4、空间时间的定义是（）A 停留时间与非生产时间的和B 实际反应时间与真实停留时间的和C 反应器有效容积与入口体积流率的比值D 反应物微元在反应器内经历的时间5、返混的定义是（）A 不同空间位置的粒子的混合B 不同停留时间的粒子的混合C 参与不同反应的粒子的混合D 不同反应器内粒子的混合6、反应器的类型不同，则( )也将有不同。
A．反应动力学B．传递特性C．反应的相态D．反应的可逆性7、平推流反应器中诸参数不随（）而变A 反应物的组成B 反应器的轴向位置C 反应器的空间时间D反应器的径向位置8、等温一级不可逆液相反应，采用下列三种方案进行：(1)一个间歇反应釜，容积V1(仅考虑反应时间所需)，(2)一个平推流反应器，容积V2，(3)二个等体积全混流反应器串联，总容积为V3。
上述三种情况反应温度、物料处理量及转化率均相同，则容积比较为( )A．V1<V2<V3 B．V1=V2<V3C．V2<V1<V3 D．V2<V1=V39、对反应级数大于零的单一反应，对同一转化率，其反应级数越小，全混流反应器与平推流反应器的体积比（）。
A 不变B 变大C 变小D 不好说10、等温恒容下进行各步均为一级不可逆串联反应若保持相同的转化率x A，调节反应温度使k2/k1降低，则P的收率将( )A.增大B．减小C．不变D．先增后减11、全混流反应器进行放热反应时，要使反应器操作在稳定定常态，则必须满足条件( )A (dQ r/dt)>(dQ g/dt)B (dQ r/dt)<(dQ g/dt)C (dQ r/dt)=(dQ g/dt)D 二者没有关系12、全混流反应器中有个稳定的定常态操作点。
化学反应工程第三章习题答案
1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。
2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应按_平推流_反应器处理。
3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速_之比。
4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。
5.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为___平推流__反应器，而当β→∞时则相当于_全混流___反应器。
7. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时反应器内返混为_零_，而当β→∞时则反应器内返混为_∞_。
8.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_全混流__反应器为宜。
9.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_平推流__反应器为宜。
10.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___B____。
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11.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__D_____秒。
A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__B_____秒。
A. 400B. 460C. 500D. 56013.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为__A__。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间14.一级不可逆液相反应，，出口转化率，每批操作时间，装置的生产能力为50000 kg产物R/天，=60，则反应器的体积V为__C__。
A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.415.对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为___A____。
化学反应工程第三章包括答案.docx
3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为 l ，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到 95%。
试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1：1，混合液的比重为。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到 95%。
（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50℃等温下进行该反应的实验。
反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。
不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
化学反应工程 第三章习题答案
3-1 在反应体积为31m 的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.981-h，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/3m ，环氧丙烷的最终转化率为90%。
若辅助时间为0.65h ，一天24h 连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？ 解 32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H( A ) ( B ) 一级反应h x k C C k t Af Af A 35.29.011ln 98.0111ln 1ln 10=-=-==h m h m t t V v /31)65.035.2(13300=+=+=丙二醇日产量=Af A x C v 0024=天/12.159.01.23124kmol =⨯⨯⨯kmol k /g 76M B=丙二醇日产量天/kg 2.111492.11576Q =⨯= 3-2一个含有A 和B 液体)/0.04molc /10.0c (B00L L mol A ==、 以体积流量2L/min 流入容积V R =10L 的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A →2B+C 。
已知由反应器流出的物料中含有A 、B 和C ，L mol c Af /04.0=。
试求：在反应器内条件下，A 、B 和C 的反应速率？解 空时min 5min/2100===L Lv V R τmin5/)04.01.0(00L mol C C r r C C AfA Af AfAfA -=-==-ττmin /012.0∙=L molmin)/(024.02∙==L mol r r Af Bfmin)/(012.0∙==L mol r r Af Cf3-3 一个液相反应： A+B →R+S其中，min)/(71∙=mol L k ，min)/(32∙=mol L k 。
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CH 3COOH C2H5OH k2 CH 3COOC 2H 5 H 2O
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的 密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装 料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃ 下等温操作，其反应速率方程如下：
2021年2月14日星期日
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0k
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 1 1 0.6575
k
2.92
t
1 k1c A0
xA
0 axA2
dxA bxA
c
k1c A0
2021年2月14日星期日
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
t0 已知
t0
求
Q0和
t
已知
Q0
2021年2月14日星期日
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
由于原料液中A:B:S=1:2:1.35
1 2 5 4.35kg 原料液中含1kg乙酸
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U 0
积分：
2021年2月14日星期日
dT H r cA0 dxA
dt
cv
dt
t 0,T T0, xA xA0
T
T0
H r cA0
cv
xA
xA0
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
t ：反应时间 t0 ：辅助时间
Q0 ：辅助时间单位时间内处理的反应物料的体积
dt
T
H r
rA VR
d cv VRT
dt
对于恒容过程 ：
cv VR
dT dt
rA VR Hr UATm
T
dT dt
rA Hr UA
cv
cv VR
Tm
T
H r cA0
cv
dxA dt
UA
cv VR
Tm
T
——变温操作热衡算式，操作方程
2021年2月14日星期日
对于非等温操作：
t 0, cA cA0 , xA 0,T T0
求反应时间
2021年2月14日星期日
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
cA cA0 1 xA cB cB0 cA0cA
cR cA0xA
cS cS0 cA0xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
2021年2月14日星期日
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2021年2月14日星期日
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
2021年2月14日星期日
例 3-1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生 产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
2021年2月14日星期日
第三章 理想反应器
第一节 间歇式完全混合反应器
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
2021年2月14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
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
2021年2月14日星期日
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA )VR
积累 dnA d VR cA
原料液量为：
16.23 60 4.35 4.155m3 / h
1020
2021年2月14日星期日
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3.908mol / l
cB0
3.908 60 46
2
10.2mol
/
l
cS 0
3.908 601.35 18
17.59mol
/
l
由
t cA0
xA dxA 0 rA
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2021年2月14日星期日
第一节 间歇式完全混合反应器
2021年2月14日星期日
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：
dt
dt
2021年2月14日星期日
rA VR
d VRcA
dt
VRcA nA nA0 1 xA
d VRcA
dt
nA0
dxA dt
rAVR
rA
nA0 VR
dxA dt
积分得：
nA0
xA dxA 0 VR rA
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
2021年2月14日星期日
2 热量衡算
单位时间 内输入的 热量
_
单位时间 内输出的 _ 热量
单位时间 的反应热
=
单位时间 内累积的 热量
对于间歇式反应器：
输入热量 UATm T
输出的热量=0
单位时间的反应热 rA VR H r
2021年2月14日星期日
积累 d cv TVR
UATm
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
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
的几何尺寸并进行某些经济评价。
2021年2月14日星期日
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2021年2月14日星期日
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，
rA k1 cAcB 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，若反应器填充系数去 0.75，则反应器的实际体积是多少？
2021年2月14日星期日
分析：
求V
V VR f
求 VR
VR Q0 t