化学反应工程__第四版__第一章作业
化学反应工程_第一章_应用化学反应动力学及反应
（1）一级反应；（2）二级反应；（3）三级反 应；（4）零级反应；（5）分数级反应
（1）放热反应；（2）吸热反应
2014-6-15
按反应过程进行的条件分类
均相
催化反应
非催化反应 催化反应
气相反应；液相反应
多相 温度 压力
液-液相反应；气-液相反应；液-固相反应； 非催化反应 气-固相反应；固-固相反应；气-液-固三相反应 等温反应；绝热反应；非绝热变温反应 常压反应；加压反应；减压反应 间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间 型）；半间歇过程 定态过程；非定态过程 理想流动模型（平推流，全混流） 非理想流动模型
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各种反应器在工业中的应用－线性低密度聚乙烯的生产
流化床反应器
2014-6-15
第二节 化学计量学 2.1 化学计量式：
表示参加反应的各组分的数量关系
ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n
也可以写成： ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n 0 或：
反应物
反应时间
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（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
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连续操作的主要特点
操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
化学反应工程第一章习题参考答案
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：0.629YS0.961196.11%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nA 、nP和nc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（nW ）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln 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 AY=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 AS=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AAAx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=SAx已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2%则%11.96%72%2.693===OHCHHCHOxYS（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：N CH3OH = 2*(1-72%) =0.56molN HCHO = 2*69.2%=1.384molN H2O =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molN CO2 = 2*(72%-69.2%)=0.056molN 空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中N O2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molN N2 = 4*79%=3.16mol ）总物质的量为：N T = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：y CH3OH =0.56/8.02*100%=6.98%y 空气 = 3.224/8.02*100%=40.20%（其中y O2=0.80%,y N2=39.4%）y HCHO =1.384/8.02*100%=17.26%y H2O =2.796/8.02*100%=34.86%y CO2 = 0.056/8.02*100%=0.70%1-5 某气-固一级不可逆催化反应，按单位质量催化剂表示的本征动力学方程为A w A f k dW dN =-，式中f A 为反应组分A 的逸度。
化学反应工程-4-第一章-均相反应动力学
P平均选择率： 平均选择率：
CP − CP0 α P k1 SP = = C A 0 − C A α A1k1 + α A 2 k 2
结论一： P 和浓度没有关系，仅仅是温 结论一 S 度的函数。 结论二：提高温度对活化能大的反应有利。 结论二
CP最大值的计算： 最大值的计算： 看
dC P rP = = k1C A − k 2 C P dt dC P =0 在最大点处： dt
k1C A = k 2 C P
rP ：
t OPT
C P ,max C A0
k2 ln k1 = k 2 − k1
( A)
k1 k2 k 2 − k1 k 2 − k1 k1 k1 k1 = − k k 2 − k1 k 2 2
1.3.2平行反应
一、平行反应动力学特征
α A1 A k1 α P P(主反应 ) → k2 α A2 A → α S S (副反应 )
主、副反应都是一级不可逆反应：
r1 r2
(− rA1 ) = k C = (− rA 2 ) = k =
α A2 α A1
1 2
A
CA
反应动力学特征： 反应动力学特征：
H 2O + (CH 2 )2 O 1 CH 2OHCH 2OH →
同样具有平行反应和连串反应的特征，为简明起见，各组分分别用 下列符号代替：
(CH 2 )2 O → A ， 2 O → B， 2 OHCH 2 OH → P H CH
CH 2 OHCH 2 OCH 2 CH 2 OH → Q
《化学反应工程》(第四版)课后习题答案详解
（3）两个CSTR串联
VR C A0 x A1 C A0 ( x A2 x A1 ) 根据 V0 rA1 rA2
m 1 m2
C A0 x A1 C A0 ( x A2 x A1 ) kCA0 (1 x A1 )C A0 x A1 kCA0 (1 x A2 )C A0 x A2 1 ( x A2 x A1 ) ; (1 x A1 ) (1 x A2 ) x A2
x A1
0
xA2 dxA dxA 4.35 2 2 x A1 (1 x ) (1 x A1 ) A1
1 1 1 1 4.35 1 x A1 1 x A2 1 x A1 1 1 4.35; 1 x A1 1 5.35 4.35; 1 x A2 1 5.35; x A1 0.81; 1 x A1
1 1 8.314 0.7 1 ln[ / ln ] 423 T2 83.681000 1 0.7 1 0.6 1 1 8.314 0.9347 ; 423 T2 83.681000
T2 441K
习题3-5解答
C A0
1 C B 0 2.0 1.0mol / L 2 CP 0 CR 0 0; xAf CB 0 xBf 1.0 0.8 0.533 xBf 0.8; ; C A0 1.5 CA 1.5 (1 0.533) 0.7; CP CR CB0 xBf 1.0 0.8 0.8;
1 5 0.99 t2 ln 5.81(h) 4 0.615 0.307 5 (1 0.99)
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。
《化学反应工程》第一章
s=
生成目的产物所消耗的关键组分物质的量 已转化的的关键组分的量
Y=sx
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s）
瞬时选择性
s
目的产物的生成速率 关键组分的反应总速率
生成主产物的关键组分 的反应速率 关键组分的反应总速率
s
平均选择性
s
生成主产物消耗的关键 组分的量 反应掉的关键组分量
收率
n1 n2 rP k1c A k 2 cP s n1 rA k1c A
s
cPf c A0 c Af
Y
s xA
1-2-5 气相反应的物料衡算
气体反应混合物的组成常用摩尔分数或体积分数表示 当反应方程中气体物质的
i 0
反应前后各组分的组成变化须根据化学计量式 所显示的物料衡算关系式确定。
C H O N
HCHO+O2 CO2 +H2O
矩阵的秩R=4，独立反应数n=6-4=2
独立反应： CH OH+ 3 O CO +2H O 3 2 2 2
2
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s） Y= or Y=
生成目的产物所消耗的关键组分的量 进入反应物系的关键组分的量
目的产物L生成的物质的量 A × L 进入反应物系的关键组分A物质的量
rA 1 dn A V dt
kmol / m
3
h
1 dcA 1 dcB 1 dcL 1 dcM A dt B dt L dt M dt
连续系统反应速率：单位反应体积、单位反应表面或单 位质量催化剂上某一反应物或产物的摩尔流量的变化
dn (ri )V i dVR
化学反应工程第一章1
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
把化学反应定义式和化学反应动力学方程
相结合，可以得到：
1 dnA m n rA kcA cB V dt
直接积分，可获得化学反应动力学方程的 积分形式。
对一级不可逆反应，恒容过程，有：
dcA rA kcA dt
cA 0 1 kt ln ln cA 1 xA
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
一、基本概念
1.化学反应式 反应物经化学反应生成产物的过程用定量关 系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式:
aA bB rR sS
2.化学反应计量式
aA bB rR sS
是一个方程式，允许按方程式的运算规则
5. 化学反应速率
⑴ 反应速率定义为单位反应体系内反
应程度随时间的变化率。对于均相反应，单
位反应体系是指单位反应体积：
1 d r V dt mol m 3s 1
⑵ 常用的还有以反应体系中各个组份
分别定义的反应速率：
1 dnA rA V dt mol m 3s 1
对于反应：
t/hr 醋酸转化量 ×102/kmol.m-3 0 0 1 1.636 2 2.732 3 3.662 4 4.525 5 5.405 6 6.086 7 6.833 8 7.398
试求反应的速率方程
化学反应工程_百度文库
第一章气－固相催化反应本征动力学概论化工生产中大多数反应是过程，气-固相催化反应是重要反应之一。
本章讨论：1，2，连续过程中化学反应速率的有关问题；气-固相催化反应的化学动力学，即本征动力学。
第一节化学计量学1-1化学计量式化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物组成相互关系变化的数学表达式。
化学计量式是化学计量的基础。
化学计量式表示参加反应的各组分的娄量关系，等式左边的组分为反应物，等式右边的组分为产物，化学计量式的通式为：或或一般将反应物的化学计量取负值，产物的化学计量取正值。
如果反应系统中有m 个反应，则第j个反应的化学计量式的通式为或也可用矩阵表示为......1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子一．反应程度对于间歇反应中的单反应进行物料衡算按化学计量关系有R上式中的ξ称为化学反应程度。
注意上述表达式中各项的正负号。
（1-7）式也可表达为：为i组分已反应的量，所以，知道反应程度即可计算出所有反应物及产物已经反应（或生成）的量。
二、转化率反应物A的反应量与其初如量之比称为A的转化率:nA0nA0nA0工业反应过程中的原料中各组分之间往往不符合化学计量关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。
三、化学膨胀因子在恒温恒压的连续系统中发生反应对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般作为恒容过程。
对于气相反应，反应前后物料的体积流量变化较大。
定义每转化1mol的A时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子，即：则有：由此，组分A的瞬时浓度可表示为：对于连续，则式中，大写字母表示摩尔流量，小写字母表示物质的量。
例1－1 计算下列反应的化学膨胀因子1. A+B→P+S2. A→P+S3. A+3B→2P解：1. δA=[(1+1)－(1+1)] / 1=02. δA=[(1+1)－1)] / 1=13. δA=[2－(1+3)] / 1=－21-4 多重反应的收率及选择率1，单一反应和多重反应单（一）反应：一组物定的反应物反应生成一组特定的产物。
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N T0
NT0
y0 H2O
NT0
y0 CO2
NT
yCO2
NT0
y0 N2
N y0 0 T CH4
NT
NT0
2NT0
y0 CH 3OH
2NT yCH3OH
yH2O yN2
yCH4
1
NT
NT0
2NT0
y0 CH 3OH
2NT yCH3OH
得
N
0 T
NT
1 1
2 yCH 3OH 2 yC0H 3OH
y CH3OH
N y 0
CH 3OH
00 T CH 3OH
H2O N2 CH4 小计
y0 H2O
y0 N2
y0 CH 4
1
N y0 0 T H2O
NT0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy0 N2
N y0 0 T CH4
N
0 T
摩尔流量
N T yCO
NT yCO2
N
0 T
y0 H2
2(
N
0 T
yC0O
NT
yCO )
3(
N
0 T
C4H9OH、N2][H、C、O、N] (2) [CO2、MgO、CaO、MgCO3、CaCO3] [Ca、Mg、C、O]
解(1)：写出原子矩阵
CO CO2 H2 CH3OH H2O CH4 CH3OCH3 C4H9OH N 2
00 2 4 2 4
6 10 0 H
[ ji]
11 1 2
由NT NT0 2NT yCH3OH 2NT yCO2
得
NT0 NT
1 2 yCH3OH
2 yCO2
yH2
(
y0 H2
y0 CO2
)(1
2
yCH
3OH
)
2
yCH
3OH
yCO2
yCO (1 2 yCH 3OH )( yC0O yC0O2 ) yCH 3OH yCO2
10 0 0 1 2
3 5 2 H
c4 c9 01 0 0 1 2
3 7 1 C
00 1 0 1 1 1 3 0 O
0 0 0 1 0 0
0
0
0
N
由此可知，矩阵[βji]的秩为4，而反应组分数为9，因此独立反应数等 于9－4＝5。
若选定H2O、CH4、 CH3OCH3 、 C4H9OH、 CH3OH为关键组分,5个独立 反应的各计量系数向量可表示为：
1 11, 21 , 31, 41,1,0,0,0,0 T
2 12 , 22 , 32 , 42 ,0,1,0,0,0 T
3 13 , 23 , 33 , 43 0,0,1,0,0 T
4 14 , 24 , 34 , 44 ,0,0,0,1,0 T 5 15 , 25 , 35 , 45 ,0,0,0,0,1 T
35
41 42 43 44 45
1
0
0
0
0
0
0 0 0 1 0 0
0
0
0
0 N 0
1 0
0 1
0 0
0 0
0 0 0 1 0
0
0
0
0
1
11 12 13 14 15
21
22
23
24
25
y0 CO2
NT
yCO2
)
N
0 T
y0 CH 3OH
(
N
0 T
yC0O
NT
yCO )
(
N
0 T
y0 CO 2
NT
yCO2
)
NT0
y0 H2O
NT0
y0 CO2
NT
yCO2
NT0
y0 N2
N y0 0 T CH4
NT
N
0 T
2(
N
0 T
yC0O
NT
yCO
N T0
y0 CO2
NT
注：空气中 O2占20.93% N2占78.03%
反应器出口组成如下：
CH3OH ：27.397×(1-72%)=7.671mol CH2O ：27.397×69.2%=18.959mol CO2： 27.397×72%-18.959=0.767mol H2O ：18.959+0.767 ×2+17.808=38.01mol O2：11.468-18.959/2-1.5 ×0.767=0.838mol N2：42.756mol
0
0 0 0 1 0 0
0
0
0
0 N 0
1 0
0 1
0 0
0 0
0 0 0 1 0
可得出可能的反应方程式为：
0
0
0
0
1
H2 CO2 CO H2O 2H2 2CO CO2 CH4 3H2 3CO CO2 CH3OCH3 5H2 7CO 3CO2 C4 H9OH H2 CO CH3OH
2CH3OH O2 2HCHO 2H2O
解：
2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O
（1）反应选择率 S=Y/x=69.2%/72%=96.11% （2）设进入反应器的原料量为100mol，反应器进料组成如下：
组成
CH3OH H2O O2 N2
物质的量ni0(mol) 27.397 17.808 11.468 42.756
H2 CO CO2
10 0 01 0 00 1
N2
0
0
0
H2O CH4 CH3OCH3 C4H9OH
12
35
1 2
37
1 1 1 3
CH 3OH
2 H 1 C
0 O
31
32
33
34
35
41 42 43 44 45
1
0
0
0
0
组成
CH3OH HCHO
CO2 H2O O2 N2 小计
物质的量ni(mol) 7.671 18.959 0.767 38.301 0.838 42.756 109.292
摩尔分数yi(%) 7.02 17.35 0.702 35.04 0.767 39.12 1
1-2 甲醇合成过程中含有组分CO、 CO2、H2、CH3OH、 H2O、N2和CH4。已知反应器进口各组分的摩尔分数yi0, i 代表各组分。取CO和CO2加氢反应为关键反应，分别导 出:
1-1 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应
2CH3OH O2 2HCHO 2H2O 2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O
进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气＝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％。
计算（1）反应的选择率；（2）反应器出口的气体组成。
y0 CO2
)
1 1
2 2
yCH yC0H
3OH 3OH
yCO2
yN2
y0 N2
1 1
2 2
yCH yC0H
3OH 3OH
yCH 4
y0 CH 4
1 1
2 2
yCH yC0H
3OH 3OH
CO 2H2 CH3OH CO2 3H2 CH3OH H2O
11 12 13 14 15
21
22
23
24
25
H2 CO CO2
10 0 01 0 00 1
N2
0
0
0
H2O CH4 CH3OCH3
12
3
1 2
1 1 1
C4H9OH
5
37
3
CH 3OH
2 H 1 C
0 O
31
32
33
34
NT0
y0 H2
NT0
y0 H2
2( NT
yCH 3OH
NT0
yC0H3OH ) ( NT0
y0 CO2
NT
yCO2
)
yH2
N y0 0 T CH 3OH
N y T CH3OH
yCH 3OH
y0 H2O
y0 N2
y0 CH 4 1
N y0 0 T H2O
NT0
y
0 N
2
N y0 0 T CH4
0 Mg
1 C
0 0 0 0 0 O
由此可知，矩阵[βji]的秩为3，而反应组分数为5，因此独立反应数等 于5－3＝2。
若选定MgCO3和CaCO3为关键组分,两个独立反应的各计量系数向量 可表示为：
1 11 , 21 , 31 ,1,0 T
1 12 , 22 , 32 ,0,1 T
CO2
yH2
(
y0 H2
2
y0 CH 3OH
y0 CO2
)
1 1
2 2