化学反应工程习题课

C A0 (1 X A ) 2.382 103 (1 0.8) CA 3.609 104 mol/ L 1 A y A0 X A 1 2 0.2 0.8
C B 0 2C A0 X A 9.528 103 2 2.382 103 0.8 CB 4.331 105 mol/ L 1 A y A0 X A 1 2 0.2 0.8
所以，反应器出口气体组成为：
1-3.在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进 入催化反应器的气体组成（摩尔分数）为：
C2 H 4 ,15%；O2 ,7%; CO2 ,10%; Ar， 12%；其余为N2
反应器出口气体中含（摩尔分数）为：
C2 H 4 ,13.1%；O2 ,4.8%。
试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率的反应选择性。
17.等温一级反应，依次经过体积相等的平推流 反应器和全混流反应器，出口转化率为0.99， 若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？ 18.等温二级反应，依次经过体积相等的平推流 反应器和全混流反应器，出口转化率为0.99， 若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？
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16.液相二级不可逆反应A+B==C，CA0=CB0， 在平推流反应器进行试验，当τ=10min时 xA=0.99，问在相同温度下为达到相同转化率， 采用（1）在全混流反应器中进行时，空时τ为多 少？（2）若在两个等体积串联全混流反应器中 进行时，空时τ又为多少？
则
t2 1 1 E R( ) ln T1 T2 t1
代入数据，得
E 98.074 kJ / mol
A B P
2-13解：对二级反应
有
dCA rA kC A C B kC A (C B 0 C A0 C A ) dt
对上式积分
t
1 X B 1 ln( ) k (C B 0 C A0 ) 1 X A
第一章
1-1.解： （1）反应的选择性为：
S Y 0.629 0.9611 96.11% 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：
设甲醇的转化率为XA，甲醛的收率为YP，反应器出口CH3OH、 CH3CHO和CO2的摩尔数nA、nP和nC分别为：
在气固相催化剂表面进行下列气相可逆反应： A+B==R 其反应机理为： A+σ1＝Aσ1 B+σ2＝Bσ2 Aσ1+ Bσ2→Rσ1+σ2 (速率控制步骤) Rσ1＝R+σ1 试用Langmuir均匀吸附模型导出该反应的本征 动力学方程。
5. 气固相催化反应：A+B==C，其反应机理如 下： A+σ ---Aσ B+σ--- Bσ Aσ+B--- Cσ Cσ--- C+σ 假定符合Langmuir均匀吸附模型，试分别推导 动力学方程： A吸附控制；2 、C脱附控制； 3 表面反应控 制。
a）. M 当
C B 0 C A0 CB0 2C A0 1 时， C A0
X A 0.5
时，X B1 0.25
t1 5.4 103 h
2 t 2 . 27 10 h X 0 . 45 X 0 . 9 时， 2 当 A B2
2 当 X A 0.99 时， X B3 0.495 t3 5.2310 h
RD 4rC 4 5.447106 2.179105 mol/ L
（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49） 式可求得总摩尔数的变化 t 1 4 1 2 A 2 A 1 反应物A的原始分率： 1 y A0 0.2 1 4 由（2.52）式可求得转化率为80%时的浓度：
nA0 nA0 (1 xA ) 7.672mol
nP nA0 YP 18.96mol nC nA0 ( xA YP ) 0.7672 mol
结合上述反应的化学计量式，H2O（nW）、O2（nO）和N2 （nN）的摩尔数分别为：
nW nW 0 nP 2nC 38.30mol 1 3 nO nO 0 nP nC 0.8788 mol 2 2 nN nN 0 43.28mol
— — — —
62.07
1.20 1.80 0.20 0.10
根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收 率以及反映的选择性。
1-5解：由丁二烯氧化反应可知，反应过程中，反应混合物 的总物质的量发生变化。如果进料为100mol，则由氮平衡可 算出反应后混合气的量为： 27.0 100 103 .4mol 26.1 其中，正丁烯的量=103.4×0.017=1.758mol 丁二烯的量=103.4×0.0445=4.60mol 若以反应器进料为基准，则正丁烯的转化率
第二章
2-3解：反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即
2 RA rR 2rD 1.6C A 16.4C A 1.6C A (1 10.25C A )
由
RA
dC A dt
得

dCA 1.6C A (1 10.25C A ) dt
对上式积分：
1 ( 1 X ) A CA 10.25C A0 1 10.25 1.6t ( )dCA ln(1 X A ) ln C A0 1 C A 10.25C A 1 1 10.25C A0
组成 正丁烷
反应前/% 0.63
反应后/% 0.61
组成 氮
反应前/% 27.00
反应后/% 20.10
正丁烯
丁二烯 异丁烷 异丁烯 正戊烷 氧
7.05
0.06 0.50 0.13 0.02 7.17
1.70
4.45 0.48 0.00 0.02 0.64
水蒸气
一氧化碳 二氧化碳 有机酸 酮、醛
57.44
t
0.6332 0.3958 h 1.6
2-4解：（1）由题意可将反应速率表示为:
A 2B C 4D
rC kCAC B
对于恒容过程，则有 C A C A0 (1 X A ) C B C B 0 2C A0 X A PA0 0.1013 0.2 3 C A0 2 . 382 10 m ol/ L 3 RT 8.314 10 1023 C B 0 4C A0 4 2.382 103 9.528 103 m ol/ L 当 X A0 0.8 时
b）. M
C B 0 C A0 5 C A0
时，CB0 6C A0
3 t 1 . 616 10 h X 0 . 083 X 0 . 5 当 A 1 时， B1
2 0.15 当 X A 0.9 时， X B
5.72103 h t2
化学反应工程习题课
杜平高
1 第一章 绪论
2 第二章 均相反应动力学
习题
已知某均相反应，反应速率，k=17.4 ml/(mol· min)，物料密度恒定为0.75 g/ml， 加料流量为7.14 L/min，cA0=7.14 mol/L， 在等温下，在一个0.25 m3的CSTR后接一 个0.25 m3的PFR进行反应，试计算其的转 化率各为多少。
rA kCACB 2 3.069104 4.331105 3.126106 mol/ L
RC rC 3.126106 mol/ L
2-8解：在初始浓度相同的条件下，有：
k1t1 k 2 t 2
又
k Ae

E RT
k1 E 1 1 ∴ ln ( ) k2 RT T2 T1
已知某均相反应，反应速率，k=17.4 ml/(mol· min)，物料密度恒定为0.75 g/ml，加料流 量为7.14 L/min，cA0=7.14 mol/L，反应器在等温 下进行，试计算下列方案的转化率各为多少。 （1）串联两个体积0.25m3的CSTR； (2)一个0.25m3的CSTR后接一个0.25m3的PFR； (3)一个0.25m3的PFR后接一个0.25m3的CSTR； (4)一个0.5m3的PFR。
1-6解：
设原料的进料量为100Kg/h，则有质量守恒，出反应器的量也 为100Kg/h，则出反应器的HCHO为1.6Kg/h，C4H6O2为 7.65Kg/h： 转化率
10 1.6 X 100 % 84% 10
单程收率
总收率
选择性
7.65 2 y 86 100% 53.37% 10 30 7.65 2 Y 86 100% 63.54% 10 1.6 30 y 53.37% S 100 % 63.54% X 84%
X 7.05 1.758 75 .1% 7.05
丁二烯的收率
4.6 0.06 Y 64.4% 7.05
丁二烯的选择性
S Y 0.644 85.75% X 0.751
1-6.甲醛和乙炔在催化剂的作用下生成丁炔二醇。在滴流 床反应器中进行，原料分离回收循环操作。某工厂生产 中测的数据如下：反应器的甲醇含量为10%（质量分数）， 出反应器的甲醇含量为1.6%，丁炔二醇的初浓度为0，出 口含量为7.65%。假设分离回收中无损失，试计算此反应 过程中的转化率、选择性、单程收率和总收率。
1-5：丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的 工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷 钼铋催化剂上进行氧化脱氢，其主要反应为：
1 H 2 C CH CH 2 CH 3 O2 H 2 C CH CH CH 2 H 2 O 2
此外还有很多副反应，如生成酮，醛及有机酸的反应。 反应温度350℃，在压强为0.2026MPa下进行。根据分析， 得到反应前后的物料组成（摩尔分数）如下。
1-3解：以100mol进料为基准，并设x和y分别表示环氧乙烷和二 氧化碳的生成量，根据题目给的进料组成和化学计量关系列式：
1 C2 H 4 O2 C2 H 4O （1） 2 C2 H 4 3O2 2CO2 2H 2O （2）
可列出下表：
由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知，所以可列 出下面两个方程： y x 3y 15 x 7 2 0.131 2 2 0.048 及 x x 100 100 2 2 解得：x=1.504mol y=0.989mol 乙烯的转化量为：1.504+0.989/2=1.999mol 所以，乙烯的转化率为：1.999/15=13.33% 环氧乙烷的收率为：1.504/15=10.03% 反应的选择性为：S=0.1003/.1333=75.24%
1-1在银催化剂上进行甲醇的氧化反应：
2CH3OH O2 2HCHO 2H2O 2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O
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。
C A C A0 (1 X A ) 2.382103 0.2 4.767104 mol/ L
CB CB0 2C A0 X A 9.528103 2 2.382103 0.8 5.717103 mol/ L
RC rc kCACB 2 4.764104 5.717103 5.447106 mol/ L