全混流反应器最佳反应体积
反应工程 课后答案 第二版
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:%100221004.27⨯++--y x yx =6.983%空气：%1002210023279.54⨯++--y x y x =40.19% 水： %10022100281.17⨯++++y x y x =34.87%HCHO: %10022100⨯++y x x=17.26%CO 2: %10022100⨯++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 21.460.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率。
反应工程期末考试试题
反应工程期末考试试题 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】化学反应过程简答填空名词解释1.任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料预处理，化学反应过程和产物的后处理三个组成部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。
2.工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：1，由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；2，由化学反应的热效应产生的传热过程；3，多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。
3.化学反应和反应器的分类：1.按反应系统设计的相态分类分为：均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应；非均相反应，包括气-固相、气-液相、液-固相、气-液-固相反应。
2.按操作方式分类分为：间歇操作，连续操作和半连续操作。
3.按反应器型式来分类分为：管式反应器，槽式反应器和塔式反应器。
4.按传热条件分为：等温反应器，绝热反应器和非等温绝热反应器。
化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。
4.反应速率：单位反应体系内反应程度随时间的变化率。
5.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。
6.半衰期：反应转化率从0变成50%所需时间称为该反应的半衰期。
7.建立动力学方程的方法有：积分法、微分法、最小方差分析法。
8.反应器开发的三个任务：根据化学反应动力学特性来选择合适的反应器型式；结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件；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评价。
9.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热量衡算方程式。
10.停留时间分布：在反应器中，由于流动状况不同，物料微元体在反应器中的停留时间可能是各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布11.平均停留时间：各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。
12.充分混合：指反应器内的物料在机械搅拌的作用下参数各处均一。
反应工程试卷3
答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随 转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度（2 分） ； 2）这是由 于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净 反应速率出现一极大值（2 分） ；3）而温度的进一步提高将导致正逆 反应速率相等而达到化学平衡。
9. 在间歇反应器中进行等温一级反应 A → B， rA 0.01C A mol / l s ，
当 C A0 1mol / l 时，求反应至 C A 0.01mol / l 所需时间 t=___B____秒。
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A. 400 D. 560
B. 460
t0
不包括下列哪一项 C. 物料冷却时间
___B____。 A. 加料时间 D. 清洗釜所用时间
B. 反应时间
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3. 全混流反应器的容积效率η 小于 1.0 时， 且随着 A 的增大而减小，
此时该反应的反应级数 n___D____。 A. ＜ 0 B. =0 D. ＞0
3. 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_____。 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___最大____。
4.
对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器类型为 ___全混流串 平推流____。
k1 1.0(h 1 )
C A0 1mol / l 。
解:(a)
,
k 2 0.5(h 1 ),V v0 1(h),
CP0 CS 0 0
{教育管理}化学反应工程郭锴二版习题解答
(3)2A+2B↔CA+C↔D
解.(1)
(2)
(3)
4 气相基元反应 A+2B→2P 在 30℃和常压下的反应速率常数 kc=2.65×104m6kmol2s-1。现以气相分压来表示速率方程，即(−rA)=kPpApB2，求 kP=?（假定气体为理想 气体）
5 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
0. 0.096 0.080 1
60 0.056
80 0.032
100 0.018
120 0.008
140 0.004
160 0.002
试求在 100℃，0.1MPa 下，进口物流中包含 20%惰性物，A 组份流量为 100mol·hr-
1，达到 95%转化率所需的平推流反应器的体积。
解
4
间歇操作的液相反应 A→R，反应速率测定结果列于下表。欲使反应物浓
解
3 反 应 A+B→R+S ， 已 知 VR=0.001m3 ， 物 料 进 料 速 率 V0=0.5 × 10-3m3min-1 ，
cA0=cB0=5mol·m3，动力学方程式为−rA=kcAcB，其中 k=100m3kmol-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
2 有如下化学反应
CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4 (I)(A)(B)(P)(I)
在反应前各组分的摩尔数分别为 nI0=1mol；nA0=2mol；nB0=3mol；nP0=0，求化学膨 胀率（用两种方法）。
解
方法一
方法二
3 在 555K 及 0.3MPa 下，在平推流管式反应器中进行气相反应 A→P，已知进料
全混流反应器最佳反应体积
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
UAT Tm 0
若反应器没有设置传热面，在绝热条件下操作，则：
V rA H r v0 C p T T0
故变温操作的CSTR设计就是操作方程、设计方程、动力 学方程联立求解的过程，即：
I)全混流反应器的热平衡
单位时间内的热量衡算：
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
以Qg表示放热速度，则：Qg V rA H r 以Qr表示移热速率，则： Qr v0 C p T T0 UAT Tm 定常态下：Qg=Qr
解上式得： xA1=0.702
VR1 VR 2
v0 x A 2 x A1 3 3.88m 2 k CA0 (1 x A 2 )
3
v0 x A1 3 2.77 m 2 k CA0 (1 x A1 )
VRT 6.65m
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） 忽略反应流体的密度和定压比热CP随温度的变化，在 定常态下，对反应器作热量衡算有：
★Qr~T是呈直线关系
Qg、Qr都是温度T的函数，当Qg=Qr时，在Q-T图上就表 示两条曲线的交点，交点体现的状态为定常态，但处于 定常态操作的反应器不一定是稳定的。 Qg Qr Qr b c
对于微小的干扰：
a
Qg
△T>0，对a, c两点，Qr>Qg， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qg>Qr，则使反 应温度进一步升高，直到a点； △T<0，对a, c两点，Qg>Qr， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qr>Qg，则使反 应温度进一步降低，直到c点；
化学反应过程及设备试题A及答案
课程名称《 化学反应工程 》考核时间：120分钟 考核方式：闭卷课程类型：考试一、选择题〔总分20分，每题2分〕1. 对于非均相液-液分散过程，应优先选择( )搅拌器。
A 锚式 B 涡轮式 C 桨式 D 推进式2. 为维持200℃的反应温度，工业生产上常用( )作载热体。
A 水 B 导生油 C 熔盐 D 烟道气3. 反应A + B → C ，已知115.0-=s k ，则反应级数n=〔〕。
A. 0 B. 1 C. 2 D. 34. “三传一反〞是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指_〔〕。
A ．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力5. 串联反应A → P 〔目的〕→R + S ，目的产物P 的总收率P φ=〔〕。
A. A A P P n n n n --00B.00A P P n n n -C. 00S S P P n n n n -- D. 00R RP P n n n n --6. 下列属于非均相反应的是〔〕。
A. 乙酸乙酯水解B. 氢气燃烧C. HCl 与NaOH 的中和D. 催化裂解7. 对于可逆放热反应，为提高反应速率应〔〕 A. 提高压力 B. 降低压力 C. 提高温度 D. 降低温度8. 反应3A → P ，已知s l mol k ⋅=/15.0，则反应级数n=〔〕 A. 0 B. 1 C. 2 D. 39. 对于反应级数n ＜0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用〔〕 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器D. 全混流串接平推流反应器 10. 反应釜内壁有非金属衬里且物料易结垢时，应选用〔 〕传热。
A 夹套 B 列管式换热器 C 蛇管换热器 D 插入式传热构件 二、填空题〔总分20分，每空1分〕 1. 全混流反应器的返混〔〕。
2. 化学反应工程是一门研究〔〕的科学。
3.在流化床中为了传热或控制气—固相间的接触，常在床内设置内部构件，但很少使用水平构件，它对颗粒和气体的上下流动起一定的阻滞作用，从而导致床内产生明显的〔〕梯度和〔〕梯度。
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
化学反应工程第三章答案
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：（1）（1）当反应器的反应体积为1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，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NaHCO水溶液及30%（重3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。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：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。
解：用A,B,R,S分别表示反应方程式中的四种物质，利用当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为：于是可求出A的平衡转化率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当CA=×l时，所对应的反应时间为48min。
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整理上式
x A,i 1 x A,i 1 1 2 x A,i x A,i 1 (1 x A,i 1 )(1 x A,i ) (1 x A,i ) x A,i x A,i 1 (1 x A,i ) 也即 : v0 x A,i x A,i 1 x A,i 1 x A,i v0 k (1 x A,i ) (1 x A,i 1 ) k
单位时间内 单位时间内 单位时间内 单位时间内 反应放出 反应流体 反应流体 通过传热面 0 的热量 带入的热量 带出的热量 传出的热量 V rA H r v 0 C p T0 v 0 C p T UAT Tm 0 也即 :
i
C A,i 1 C A i
rAi
rAi
N
C A, N 1 C A, N
rAN
C A 0 x A, N x A, N 1
rAN
串联后的总空时：
i
C A0 x A ,i x A,i 1 C A0 x A, N x A, N 1 C A 0 x A1 C A 0 x A 2 x A1 rA1 rA2 rAi rAN
解上式得： xA1=0.702
VR1 VR 2
v0 x A 2 x A1 3 3.88m 2 k CA0 (1 x A 2 )
3
v0 x A1 3 2.77 m 2 k CA0 (1 x A1 )
VRT 6.65m
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） 忽略反应流体的密度和定压比热CP随温度的变化，在 定常态下，对反应器作热量衡算有：
上式表明：当第i釜与第i+1釜反应器体积相等时，总反应器体积最小。 即对于一级不可逆反应的多釜串联反应器总体积最小的条件是： VR,i=VR,i+1
x A,i 1 x A,i (1 x A,i 1 )
例题11 在两级串联全混流反应器中进行液相反应A+BR，反应物
2 料按等摩尔比配成，反应速率 rA k CA C B k CA ，
v0 C A0 x A1 x A0 v0 C A0 x A2 x A1 2 2 2 kCA0 (1 x A1 ) kCA0 (1 x A2 ) 2
x A1 1 0.875 1 x A1 0.875 x A1
2 2
将xA0=0，xA2=0.875代入上式
I)全混流反应器的热平衡
单位时间内的热量衡算：
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
以Qg表示放热速度，则：Qg V rA H r 以Qr表示移热速率，则： Qr v0 C p T T0 UAT Tm 定常态下：Qg=Qr
2 k CA0 1 x A1
2 k C 2 1 x 3 A0 A1
2
3
即:
2 x A1 x A0
1 x A1 x A0
1 x A1
3
1 x A2 2
1
1 1 2 2 2 2 k CA0 1 x A1 k CA0 1 x A 2 1 1 x A1 2
CA0=0.22mol.L-1 ， CR0=0 ， ρ=1050g.L-1, CP=2.929J.g-1.K-1,
v0=3m3.h-1, CA=0.04mol.L-1, 总括传热系数U=209.2kJ.m-2.h-1.K-1,
冷却介质温度Tm=25℃。
求：反应温度 T 及料液的起始温度 T0
解： ①计算所需反应温度T 由设计方程可知： CA 1 C A0 1 k
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm 或 V rA H r v0 C p T T0 绝热条件 V C A0 C A C A0 x A v0 rA rA rA f x A , T
★Qr~T是呈直线关系
Qg、Qr都是温度T的函数，当Qg=Qr时，在Q-T图上就表 示两条曲线的交点，交点体现的状态为定常态，但处于 定常态操作的反应器不一定是稳定的。 Qg Qr Qr b c
对于微小的干扰：
a
Qg
△T>0，对a, c两点，Qr>Qg， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qg>Qr，则使反 应温度进一步升高，直到a点； △T<0，对a, c两点，Qg>Qr， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qr>Qg，则使反 应温度进一步降低，直到c点；
i 1 N
上式各釜出口转化率求偏导并令其等于0 得到N-1个方程，从中即可求出使τ最小的条件 （总空时最小时，串连反应器的总体积也必然是最小的）
如：对xA1求偏导
1 1 r r 1 C A0 x A1 A1 C A0 A 2 rA1 x A1 x A1 x A1 1 r A1 x A1 1 1 r r A1 A2 x A1
该项等于 多少？请 思考
x
A2
1 x A1 0 rA 2
对于任意xAi顶均可得到类似结果：
i 1,2,3, N
1 r A ,i x A,i
x A ,i
1 1 1 x A,i 1 rA,i 1 rA,i
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
UAT Tm 0
若反应器没有设置传热面，在绝热条件下操作，则：
V rA H r v0 C p T T0
故变温操作的CSTR设计就是操作方程、设计方程、动力 学方程联立求解的过程，即：
速率常数k=9.92m3.kmol-1.s-1，加料速率为0.278m3.s-1,反应物浓 度为0.08kmol.m3，反应维持在25℃恒温下进行，A的转化率为 87.5%，
试求：
（1）两个全混流反应器的体积相同；
（2）两个全混釜的总反应体积最小；
这两种情况下的反应器体积各为多少？
解： （1）两个CSTR串联，且V1=V2，则：
§3.6 全混流反应器最佳反应体积 §3.7 全混流反应器的热衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） (2)全混流反应器操作的热稳定性分析 (3)全混流反应器热稳定性判据
§3.6 全混流反应器最佳反应体积（解释一下为何存在这么个问题） 处理物料量v0、进料组成及最终转化率xAf是在设计反应器 前确定了的。当级数限定后，则总希望合理分配xAi，使 所需的反应体积最小。 对于由N釜串联的全混流反应器系统，各釜空时分别为：
●反应器操作能否稳定？ ●在什么条件下才能稳定操作？ 反应器的热稳定性：对于反应条件微小扰动能自动恢复正 常状态的一种特性。此为有自衡能力
的反应器。与之对应的是无自衡能力
的反应器。 请注意：反应器有无自衡能力，虽都可能符合热量平衡条 件，但前者是稳定的，后者是不稳定的。平衡不等于稳定， 平衡有两种，即稳定的平衡和不稳定的平衡。
0.22 1 k 0.04 18 0.75 3 E 1 ln k ln k 0 R T E 5525 .9 T 308 .6 K 9 R ln k 0 ln k ln 1.0788 10 ln 18
CA 1 C A0
②物料起始温度T0的计算 由操作方程可知：
T
II) 全混流反应器操作的热稳定性分析（定态分析）
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
上式即为满足总容积最小的条件，实质上就是如何分配xAi 使总空时最小，进而使总反应体积最小的偏微分方程。
有一个特例，见下页
对于一级不可逆反应：
rA k CA0 (1 x A ) 1 1 rA k CA0 (1 x A ) 1 1 1 1 k CA0 (1 x A,i ) x A,i x A,i x A,i 1 k CA0 (1 x A,i 1 ) k CA0 (1 x A,i )
可以确定：VR、A、Tm及T、T0等有关参数。
例题见下页：
例题12 已知：CSTR反应器的体积VR=0.75m3，总传热面积A=5.0m2， 其 中 进 行 AR 一 级 不 可 逆 反 应 ， 速 率 常 数
k=1.0788×109exp[-(55259/T)]h-1，焓变(-△Hr)=20921J.mol-1-A，
1 r A ,i x A,i
x A ,i
1 1 1 r x A,i 1 A,i 1 rA,i
对于第一釜，上式左边有：
1 r 1 A1 2 x A1 x A1 k CA0 1 x A1 2
V rA H r v 0 C p T T0 UAT Tm V rA H r UAT Tm T0 T v 0 C p
代数计算得：T0=297.4K
Return
（2）全混流反应器操作的热稳定性分析 QinA1 1 rA1 rA1
注：分配各 釜出口转化 率，实际上 是在确定各 釜空时，也 即在确定各 釜的体积， 使总反应体 积最小。
2
C A1 C A 2 C x x A1 A0 A 2 rA 2 rA 2 C A0 x A ,i x A,i 1