反应工程计算题模板
化学反应工程经典习题
1. 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以H 2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：• C A0=4 kmol.m -3若每天处理2400kg 己二酸，每批操作辅助生产时间为1h ，反应器装填系数为0.75，求：(1)转化率分别为X A =0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少? (2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?2. 均相气相反应A →3R ，其动力学方程为-r A =kC A ，该过程在185℃，400kPa 下在一平推流反应器中进行，其中k =10-2s -1，进料量F A0=30kmol/h ，原料含50％惰性气，为使反应器出口转化率达80％，该反应器体积应为多大?3. 在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。
年设计生产能力为14万吨乙烯。
反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80％，反应器在1100K 等温，恒压600kPa 下操作，已知反应活化能为347.3 kJ·mol -1 ，1000K 时，k =0.0725 s -1。
设计工业规模的管式反应器。
4. 有一分解反应其中k l =lh -1，k 2=l.5m 3kmol -1h -1，C A0 =5 kmol·m -3，C P0=C S0=0，体积流速为5m 3h -1，求转化率为90％时：(1)全混流反应器出口目的产物P 的浓度及所需全混流反应器的体积。
(2)若采用平推流反应器，其出口C P 为多少?所需反应器体积为多少? (3)若采用两釜串联，最佳出口C P 为多少?相应反应器体积为多少?5. 醋酸在高温下可分解为乙烯酮和水，而副反应生成甲烷和二氧化碳：OH CO CHCOOHCH k2231+=−→−2432COCHCOOHCH k+−→−已知在916℃时121174.3,65.4--==sk s k ，试计算：1） 99%的醋酸反应掉的时间；2）在此反应条件下醋酸转化成乙烯酮的选择性。
化学反应工程计算题
1. 某催化反应：C D B A +→+，动力学方程为2)1(D D B B A A BA p K p K p K p kp r +++=。
试写出其反应机理、控制步骤并进行验证。
解：反应机理为)4()3()2()1(σσσσσσσσσσ+⇔++→+⇔+⇔+D D C D B A B B A A其中第(3) 步为控制步骤，根据理想吸附模型的假定，除控制步骤以外的其余步骤均达到平衡，所以B A s V D D D V B B B V A A A k r p K p K p K θθθθθθθθ====;;;将 ， 代入到第(3)步的计算式中，2V B A B A s p p K K k r θ= 因为1=+++V D B A θθθθ，所以 DD B B A A V p K p K p K +++=11θ最后求得反应速率方程为2)1(D D B B A A B A B A s p K p K p K K K p p k r +++==2)1(D D B B A A BA p K p K p K p kp +++ 其中B A s K K k k =2. 在等温间歇反应器中进行液相反应A+B →R +C ，该反应对反应物A 和B 均为一级反应，反应速率常数)/(2h mol l k ⋅=，进料中A 和B 的摩尔浓度均为l mol /0.3，要求A 的转化率8.0=A X 。
若每天生产产物C 为240 mol ，且每批生产的辅助时间为0.5 h ，试求反应器的有效体积。
解： 因为l mol c c B A /0.300==，B A c c =所以反应速率方程202)1(A A A B A A X kc kc c kc r -=== 反应时间⎰⎰-==A Ax A A AA x A A A X kc dx C r dx C t 020000)1(，其中)/(2h mol l k ⋅=，8.0=A X 解得h t 66.0=进料中A 的摩尔流量为h mol F A /5.128.0242400=⨯=体积流量h l c F Q A A A /17.435.12000===反应器的有效体积)(00t t Q V A r +=，其中辅助时间h t 5.00=l V r 5)5.066.0(17.4=+⨯=3. 两个串联的全混流反应器进行某液相复合反应)/()/(21h l mol C k r SA h l mol C k r P A A S A P ⋅=→⋅=→ ，已知l mol C h h A /5,6.0,4.0021===ττ，第一釜出口处A 的浓度l mol /3，产物P 的浓度为l mol /5.1，求第二个釜出口处Sf Pf Af C C C ,,各为多少。
化学反应工程习题库(计算题举例及详细解答))
a
Kp
p H 2 pO 2
0.5
p H 2O
令k1 k1 K p b0,O2 K p
a
, k2 k2
b
0.5
0,O2
K p ;由实验测得 a 0.5, 最后可得
0.5
a
p H 2O r k1 pCO p H2
pH2 k 2 pCO p H 2O
x Af ,c x Af , f c A0 e 2k e2 0.135kmol/ m3 , x A,e x A, f 0.865
（g）平推流反应器与全混流反应器并联,
c Af , g
c A0 1 1 1 (c A0 e 2 k ) e 2 0.234 , x A, g 0.776 2 1 2k 2 3
60 0.62m 3 960 368 0.496 m 3 740
该反应为液相反应，反应过程中体积比不变，且每次投料体积为:
3 V 0.0625 0.496 0.559m
计算结果表明，转化率从0.9提高到0.99，反应时间从 4.81h延长到52.9h，说明大量反应时间花在高转化率。
9.纯苯氯化为串联反应，生成物为一氯苯，副产物为二氯苯反应方程式为
1 bN 2 p N 2 bNH 3 p NH 3
3
0.5 1.5 1 bN 2 PN 2 bNH 3 k p PN PH 2 2
2．Temknh等提出铁催化剂上氨合成反应为下列步骤所组成 3 式中X代表活性位。若过程 NX H 2 NH 3 X N 2 2 X 2 NX
化学反应工程计算题
8
t 1min
t 3min
试求：①该反应器的停留时间分布函数 F (t) 及分布密度函数 E(t) 。
②数学期望
t
及方差
2 t
。
③若用多釜串联模型来模拟该反应器，则模型参数是多少？ 出口转化率为多少？
（附：积分公式 x a dx x a1 C ）
a1
解： 0
CA0 X Af A ( X Af
解得 k1
5 4
h1
k2
对第二个釜进行 A 和 P 的物料衡算
2
2
CA1 CAf (A2 )
CP1 CPf (P2 )
CAf 0.42 mol / h 解得 CPf
CSf
5 12
CA1 CAf k1CAf k2CAf
CP1 CPf k1C Af
① 停留时间分布函数
)
CA0 X Af kCA0 (1 X Af
F (t)
C(t) C()
停留时间分布密度函数 E(t) dF (t) t / 4 1min t 3min
② 数学期望
方差
③
2 t
无因次方差
多釜串联反应釜个数
t
1
3 t 2 E(t)dt t 2
物 C 为 240 mol，且每批生产的辅助时间为 0.5 h，试求反应器的有效体积。
解： 因为 cA0 cB0 3.0 mol / l ， cA cB
所以反应速率方程 rA kcAcB kcA2 kcA0 (1 X A )2
反应时间 t
解得 t 0.66 h
反应工程计算题
1. 反应2NO + 2H 2= N 2+ 2H 2O ，实验测得速率方程为：222H NO NC kC =γ。
试设定能满足实验结果的反应机理。
解：机理（1）：222212O H N H NO k +−→−+ （慢） ① O H H O H k 222222−→−+ （快）②22211HNO N C C k ==γγ所以与实验结果相同机理（2）：222O N NO ⇔ （快速）③2222225O H N H O N k +−→−+ （慢速）④OH H O H k 222226−→−+ （快） ⑤③达拟平衡态，④为速控步骤222255H O N N C C k ==γγ由③得23422NOO N C k C k =24322NO O N C k k C =代入22222435H NO H NO N C kC C C k k k ==γ此机理与实验结果相同，选机理（2），因其无叁分子反应，而机理（1）是。
2. 由A 和B 进行均相二级不可逆反应αA A+αBB = αSS ，速率方程：A γ-==-dtdC AB AC kC 。
求： （1）当BAB AC C αα=00时的积分式（2）当B AAB B A C C ααλ≠=0时的积分式解：（1）C A 与C B 之比保持恒定B ABAB AC C C C αα==0所以A BA B C C αα=⎰=0A AC C BA AC C dC kt⎰⎰=⇒=02'2A AA AC C C C AAA AB AC dC t k C dC kt ααkk A Bαα='积分得'11A A C C t k -=写成转化率时)1(10'A A A C t k χχ-=（2）)1(0A A A C C χ-=)1()1(1000A B A B A B A B B C C C C C χαχαα-=-=式中： ABAB B A A BC C λααααα==001积分得⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=A AB Ckt χχαα11ln )1(11013.反应A → B 为n 级不可逆反应。
化学反应工程作业..
49. 现有一有效容积为0.75m 3的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m 2的冷却盘管。
欲利用改反应器来进行A →R 的一级不可逆的液相反应，其速率常数)(9.5525exp 100788.119-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=h T k ，反应热molA J H r /20921)(=∆-，原料液中A 的浓度l mol C A /2.00=，但不含反应产物R 。
此原料液的密度ρ=1050g/l ；定压比热929.2=P C （J/g ·℃）。
要求原料液的进料流率为h m v /33=，反应器出口的反应液中l mol C A /04.0=。
总传热系数U=209.2（KJ/m 2·h ·℃）。
所用的冷却介质的温度为25℃。
试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T 0。
解： 50.(CH3CO)2 (A) + H 2O(B)2CH 3COOH(C)乙酸酐发生水解，反应温度25℃，k=0.1556min -1，采用三个等体积的串联全混流釜进行反应，每个釜体积为1800 cm 3，求使乙酸酐的总转化率为60%时，进料速度0v 。
解：51.串联全混流反应器进行一级不可逆反应，假定各釜容积、温度相同，,9.0,10),(92.0301===-A x h m h k γ试计算N 为1，2，3的反应有效容积，如不考虑非生产性操作时间的条件下分批式反应器的有效容积。
解：52.应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，假定各釜的容积和操作温度都相同，已知此时的速率常数k=0.92h -1，原料液的进料速度0v =10m 3/h ，要求最终转化率=A x 0.9，试求V 1、V 2和总容积V 。
解：对于一级不可逆反应应有21010111)1(1)1(1)1(A A A A A A A x kC x kC x x r -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∂∂=∂-∂代入⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡----=∂-∂+-i A i A i A iA iA iA r r x x x r ,1,1,,,,111)1(得 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=-)1(1)1(11)1(1102001210A A A A A A A A x kC x kC x x x kC整理得 022121=+-A A A x x x∵9.02=A x ， ∴6838.01=A x ∴)(35.2)6838.01(92.06838.0)1(111h x k x A A =-=-=τ)(5.233101m v V ==τ)(35.2)9.01(92.06838.09.0)1(2122h x k x x A A A =--=--=τ)(5.233202m v V ==τ总容积)(47321m V V V =+=53. 用两串联全混流反应器进行一个二级不可逆等温反应，已知在操作温度下,10,30.2),(92.03030113h m v m kmol C h kmol m k A ===--要求出口x A =0.9，计算该操作最优容积比)(21V V 和总容积V 。
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化学工程基础（武汉大学第二版）1、在间歇反应器中进行等温一级反应A →R+S,已知反应进行30S 时反应物A 的转化率为90%，求转化率达到99%时还需要多少时间？计算结果说明了什么？2、在间歇反应器中进行等温液相反应A+B→R 已知（-r A ）=kC A C B molL -1min -1,k=0.3Lmol-1min-1, C A0=C B0=0.2molL -1,试计算反应物A 的转化率分别达到90%和99%时所需要的时间，并做比较。
3、在间歇反应器中用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，其反应式为：3493492CH COOH+C H OH CH COOC H +H O A B C D →反应在100℃等温进行，进料物质的量比为A:B=1:4.97，并以少量硫酸为催化剂。
由于丁醇过量，其动力学方程为（-r A ）=kC 2A ，式中k 为1.74×10-2m 3kmol -1min -1。
已知反应物密度ρ为750kg/m 3（反应前后基本不变），若每天生产乙酸丁酯2450kg （不考虑分离过程损失），每批物料的非生产时间取0.5h ，求乙酸转化率为55%时所需间歇反应器的体积（装料系数φ=0.75）。
()3433492A0CH COOH+C H OH CH COOC H +H O F 0.0326/min.kmol →=⨯⨯解：2450由化学反应方程可知：=24601161-05533A0011.753/60174 4.97750F 0.03260.0186/min1.753AO AO C kmol m v m C ==⨯+⨯∴===()()()222020()10.5540.07min 1 1.7410 1.75310.55A A A A A A rA kC kC x x t kC x --==-⇒===-⨯⨯- ()()3030.018640.0730 1.301.301.730.75R RRT V v t t m V V m ϕ'∴=+=+====答：略。
(完整版)化学反应工程习题
2
18、有一等温二级不可逆液相反应，其动力学方程式为rAkC2A，已知293K时反应速度常
数k为10 m3/kmol.h，反应物A的初始浓度CA0为0.2kmol/m3，加料速率V0为2 m3/h，试比较下列理想反应器组合方案的出口转化率。
2） 若采用连续操作，试选择用合适的反应器型式；
3） 若主、副反应的活化能分别为30和20，反应温度宜高还是宜低？
解：SPrRk1CR
rSk2
（1）若用间歇操作，应采用向事先含R的BR中同时加入A、B物料； （2）若用连续操作，应选用CSTR，A、B同时连续加入；
（3）∵E1〉E2，∴反应温度宜高。 （∵温度升高，有利于活化能高的反应）
3、在管式反应器中进行一裂解反应A=R+S，实验测得该反应为一级不可逆反应，其动力学
33
方程式为rAkPPA（mol /m3.s），若反应在P=101.3 103Pa，T=546K的条件下进行，反应
-6
速度常数kP=7.75 10-6mol / m3.s.Pa，试计算：
（1）处理量为432m3/day的原料气要求转化率达82.6%时，所需反应器的VR？
反应开始时，系
统中含丁烷为116kg，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa/s的速率发生变化， 试求下列项次的变化速率： （1）乙烯分压； （2）H2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。
5、某溶液反应：A+B C，开始时A与B摩尔数相等， 没有C，1小时后A的转化率为75%， 当在下列三种情况下，2小时后反应物A尚有百分之几未反应掉？
8、反应H2+C2H4=C2H6，开始时各组分的含量为：2 mol H2、4mol C2H4、2 mol惰气，当H2的转化率为50%时，试计算该物系的总mol数。
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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％, 求表示此反应的动力学方程式。
解
2
A 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 2
反应O 2H N 2NO 2H
222
+→+, 在恒容下用等摩尔
H 2, NO 进行实验, 测
得以下数据
总压/MPa 0.0272 0.0326 0.0381 0.0435 0.0543 半衰期/s
265
186
135
104
67
求此反应的级数。
解
()
()
()()
()205
.4644
.4905
.4226
.5580
.5ln 304.1526.1658.1814.1995.1ln 671041351862652715
.02175.01905.01630.01360
.02
1ln ln 115.01ln 15.015.0115.01
11d d d d d d 2
1A021A0A02
10A p 12
110A p 121p 1A0110A A0
A 21p 1A
10A p 1A
A p A A p A A
A0
A
A 2
1t p t p p p t p n n k t p n k t k p p n p p t t t k p p n t
k n p t
p p t
k p p p k t
p n n
n n
n n n
n p p
n p p t n n n
-----=
=-+--=--=--===--=+-=-=-=-
--------+---⎰⎰总
作图，得直线对A021ln ln p t
Y=A+B*X
Parameter
Value Error A 1.60217 0.01399 B -1.9946
0.00834
三级反应斜率3
19946.19946
.1≈-=--n n
3
A 和
B 在水溶液中进行反应, 在25℃下测得下列数据, 试确定该反应反应级数和反应速度常数。
时间/s
116.8 319.8 490.2 913.8 1188 ∞ c A /kmol ·m -3 99.0 90.6 83.0 70.6 65.3 42.4 c B /kmol ·m -3
56.6
48.2
40.6
28.2
22.9
解
由c A -c B =42.4可知反应应按下列方式A+B →产物进行
l n t 1/2
ln p A0
设为二级反应
B A A
d d c kc t
c =-
积分得: B A0B0A B0A0ln 1c c c c c c kt -=
以B
A
B0A0ln 1c c
c c -对t 作图若为直线, 则假设正确。
由c A0-c B0=42.4整理得数据如下:
t
116.8 319.8 490.2 913.8 1188 B
A B0A0ln 1c c
c c y -= 0.013
2
0.0149
0.0169
0.0216
0.0247
线性回归:
Y=A+B*X
Parameter
Value Error A 0.01166 1.84643E-4 B
1.08978E-5
2.55927E-7
01166.0100898.15+⨯=-t y
B
A 5
A 1
135100898.1d d s kmol m 100898.1c c t
c k ----⨯=-⨯= 4
在间歇搅拌槽式反应器中, 用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯, 反应式为:
()()()()
S R B A O H H COOC CH OH H C COOH CH 2943SO H 9434
2+−−→−+
y
t
反应物配比为: A(mol):B(mol)=1:4.97, 反应在100℃下进行。
A 转化率达50％需要时间为24.6min, 辅助生产时间为30min, 每天生产2400kg 醋酸丁酯( 忽略分离损失) , 计算反应器体积。
混合物密度为750kg ·m -3, 反应器装填系数为0.75。
解
3
31
31
11
1
1
1i 1.2m 0.75
0.8949
总体积
反应0.8949m 0.910.9834有效体积反应0.91hr
60
54.6
折合54.6min 3024.6总生产时间hr 0.9834m 750
737.5
换算成体积流量hr 737.5kg 634.1103.4总投料量hr 634.1kg 744.97724.1B 4.97:1B :A hr 103.4kg 601.724折算成质hr 1.724kmol 0.5
0.862
的投料量
A ，则50%转化率hr 0.862kmol 116
100
hr 100kg 2400/24R 116 74 60 M S R B A ==⨯==+=⋅=+⋅=⨯⨯=⋅=⨯⋅=⋅=⋅=+→+-------器器投料量则量流量产量
5
液相一级不可逆分解反应A →B+C 于常温下在一个2m 3全混流反应器( CSTR, MFR, 连续搅拌槽式反应器) 中等温进行。
进口反应物浓度为1kmol ·m -3, 体积流量为1m 3hr -1, 出口转化率为80%。
因后续工段设备故障, 出口物流中断。
操作人员为此紧急停止反应器进料。
半小时后故障排除, 生产恢复。
试计算生产恢复时反应器内物料的转化率为多少?
解
9264.01
0736
.01m kmol 0736.02
.0hr 22.02.01120A A A0A 3
A 5.02A
0A A
1
Af A A00=-=-=
⋅====-=--=-⨯---c c c x c e c e c c k k r c c V V kt 料即为间歇反应器
全混流反应器切断进出首先求反应速率常数
6
反应A+B →R+S, 已知V R =0.001m 3, 物料进料速率V 0=0.5×10-3m 3min -1, c A0=c B0=5mol ·m 3, 动力学方程式为−r A =kc A c B , 其中k =100m 3kmol -1min -1。
求: (1)反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少? (2)欲用全混流反应器得到相同的出口转化率, 反应器体积应多大?(3)若全混流反应器体积V R =0.001m 3, 可达到的转化率为多少?
已知k =1m 3kmol -1hr -1, c B0=3kmol ·m -3, c A 饱和=0.02kmol ·m -3, 水溶液流量为10m 3hr -1。
解 平推流
5
.00005
.051.0001.011
1111)111(1)1(d 10A0R Af Af 0A 02A A 0A 0R Af =⨯⨯+
-=+-
=--=-=⎰V kc V x x kc x x kc V V x (1) 全混流
3
330R 2B A A A0A A A00R m 1024105.040025.01000025
.0005.0--⨯=⨯⨯===⨯-=-=--=τV V c kc c c r c c V V
(2) ()()
()3820
.0111005.0100105.0m 001.01A 2
A A 2
A A
33
R 2A 20A A A0B A A A0A A A00R =-=
-⨯⨯==-=-=--=-x x x x x V x kc x c c kc c c r c c V V
第二章
3.一级反应A →P, 在一体积为V P 的平推流反应器中进行, 已知进料温度为150℃, 活化能为84kJ ·mol -1, 如改用全混流反应器, 其所需体积设为V m , 则V m /V p 应有何关系?当转化率为0.6时, 如果使V m =V p , 反应温度应如何变化?如反应级数分别为n =2, 1/2, −1时, 全混流反应器的体积将怎样改变? 解:
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