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第一章反应器基本理论一、思考题1、为什么说间歇釜是药厂最常见的反应设备？2、间歇反应釜的操作特点是什么？3、管式反应器的操作特点是什么？4、连续反应釜的操作特点是什么？5、在停留时间分布中，年龄分布与寿命分布的区别？6、产生返混的原因是什么？7、返混对化学反应的影响？8、理想反应器有哪几种？9、均相反应速度及其表达式？10、间歇釜式反应器的基础设计式？11、为什么利用小试实验数据，可以进行反应釜的放大设计？12、反应器的有效容积VR由哪二部分组成的？13、平推流反应器的基础设计式？14、利用间歇反应器中的数据，能否进行管式反应器的设计与放大？15、全混釜的基础设计式？16、多釜串联反应器的浓度变化折线图？17、多釜串联反应器的基础设计式？18、在简单反应中，反应器型式选择的几条常用原则？19、在平行反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？20、在连串反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？21、停留时间分布密度函数与分布函数的区别与关系？22、平均停留时间和方差的计算？23、无因次时间表示的停留时间分布及其与停留时间分布的关系？24、脉冲法测定停留时间分布的基本原理？25、阶跃法测定停留时间分布的基本原理？26、在平推流模型中，E(τ)和F(τ)的特征如何？27、在全混流模型中，当阶跃法进料量，E(τ)和F(τ)的特征如何？28、如何采用多釜串联模型来判断实际的流动状态？二、习题1．试证明：在间歇釜中进行一级反应，转化率为99.9％所需的反应时间是转化率为50％时所需反应时间的10倍。2．在间歇釜中以硫酸作催化剂、使己二酸与己二醇以等摩尔比、在70℃下进行缩聚反应，动力学方程式为(-rA)=k·CA2其中：k=1.97L/(kmol·min)，CA0=0.004kmol/L。求己二酸的转化率为0.5、0.6、0.8及0.9时所需的反应时间分别为多少？若每天处理己二酸2400Kg，转化率为80％，每批操作的辅助时间为lh，装料系数加0.75，求反应器的容积为多少？答：126.9、190.4、507.6、1142.1min；2157L3．用醋酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OH2SO4100℃已知其动力学方程式为(-rA)=k·CA2，式中CA为醋酸的浓度，kmol/L，k=17.4L／(kmol·min)；反应物料配比为HAc:C4H9OH＝1:4.97(摩尔比)，反应前后物料的密度为0.75kg/L，醋酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为60、74和l16。要求每天生产2400Kg醋酸丁酯，醋酸的转化率为50％，每批操作的辅助时间为0.5h，装料系数为0.7，求间歇操作反应器的装料容积和总容积。答：1029、1470L4．在平推流反应器中进行等温液相反应A十B—→R，速度方程式为(-rA)=k·CA·CB，k=1.97×10-3L/(kmol·min)，CA0=CB0=4mol/L，如果反应物的体积流量为171L／h，求：(1)、要使转化率为80％，反应器的容积为多少？(2)、若其它条件不变，要使转化率为90％，容积又为多少？(3)、如CA0=CB0=8mol/L，转化率仍为80％，容积为多少？答：1.45、3.36、0.723m35．用全混釜进行均相液相反应2A十B—→R动力学方程式为(-rA)=k·CA2·CB，k=2.5×10-3L2/(kmol2·min)，CA0=2.0mol/L，CB0=3.0mol/L，原料的体积流量为28L/h，求为使转化率达到60％所需的反应器容积。答：145.8L6．在等温操作的间歇釜中进行一级液相反应，13min后反应物转化掉70％。今若将此反应移到平推流或全混流反应器中进行，为达到同样的转化率，所需的停留时间各是多少？答：13、25.2min7．醋酐的水解，当水大量过量时为一级反应，40℃时，k=0.38min-1，如进料浓度为2mol/L，进料量为50L／min，用3个等温等容串联釜，要求转化率为99％，求反应器的容积为多大？答：1437L8．已知用硫酸作催化剂时，过氧化氢异丙苯的分解反应符合一级反应的规律，且当硫酸浓度为0.03mol/L、反应温度为86℃时，其反应速度常数k为8.0×10-2s-1，若原料中过氧化氢异丙苯的浓度是3.2kmol／m3，要求每小时处理3m3的过氧化氢异丙苯，分解率为99.8%，求：(1)、采用间歇釜需要的反应容积；(2)、采用平推流反应器需要的容积；(3)、采用全混釜需要的容积；(4)、采用2个等容积全混釜串联需要的容积；(5)、采用4个等容积全混釜串联需要的容积。答：0.0647、0.0647、5.2、0.445、0.156m39．醋酐稀水溶液在25℃时连续进行水解，其速度方程为(-rA)=0.158CAmol／(cm3·min)，醋酐浓度为1.5×10-4mol／cm3，进料流量为500cm3／min。现有2个2.5L和1个5L的搅拌反应釜可供利用，问：(1)、用1个5L或2个2.5L的搅拌釜串联操作，何者转化率高？(2)、若用2个2.5L釜并联操作，能否提高转化率？(3)、若用1个5L的管式反应器，转化率为多少？答：串联高、不能、0.79410．液相反应A—→R，测得反应速度与浓度的关系如下：CAmol/L0.10.20.40.60.81.01.21.41.6(-rA)mol／(L·min)0.625122.51.51.250.80.70.6已知CA0=2mol／L，反应在全混釜中进行，流量为l000L／min。当转化率分别为0.5、0.6、0.7时，求所需反应器的容积为多少？答：800、800、560L；11．在4个串联的全混釜中进行醋酐水解(一级)反应，各釜的温度如下表：釜号1234TK283288298313kmin-10.05670.08060.1580.380各釜的容积均为800L，进料醋酐浓度CA0=4.5mol/L，进料量为100L／min，求：(1)、各釜的出口浓度为多少？(2)、如各釜都保持反应温度为288K，要求达到上述相同的最终转化率，需用800L反应器几个？答：3.096、1.882、0.83l、0.206mol/L；6.2个12．液相反应120℃时，k=8L／(mol·min)，k’=1.7L／(mol·min)。若反应在全混釜中进行，其中物料容量为100L，二股物料流同时等流量导入反应器，其中一股为CA=3mol/L，另一股为CB=2mol/L，求当xB=0.88时，每股物料流的流量应为多少?答：2.5L／min13．试证明两釜串联进行一级反应时，两釜容积相等，则所需总容积最小。（提示：使dVR/dCA=0）。14．已知物料的停留时间分布函数01.001.0)(eEs-1，求：(1)、停留时间小于100s的物料占进料的分率；(2)、停留时间大子100s的物料占进料的分率；(3)、平均停留时间是多少秒？答：0.6325、0.368；100s15．用脉冲法测得出口流中示踪剂的浓度变化如下：τmin05101520253035C(τ)g/L03554210求E(τ)。16．用阶跃法测得出口流中示踪剂的浓度变化如下：A+BR+Skk'τs01525354555657595105C(τ)g/L00.51.02.04.05.56.57.07.77.7求F(τ)。17．某反应器用脉冲法测定停留时间分布，从注入示踪剂的瞬间开始计时，不断分析出口流中示踪剂浓度的变化，测得结果如下：τs1020304050607080C(τ)g/L03554210求：、2及2。答：40s、190s2、0.1187518．某反应器的流动状态符合全混流模型，反应器容积为100L，流量为10L／min，试求离开反应器的物料中，停留时间分别为0~1min、2~10min、15min、大于30min的物料所占的分率各是多少？答：9.5％、45.1％、0、5％19．某一级反应在全混釜中进行，当平均停留时间为40s时，出口转化率为0.82。若将该反应在题17的反应器中进行，转化率为多少？答：0.97420．脉冲法测得某反应器的出口浓度如下表：τ123456810152030415267C(τ)957819090867767473215731今有反应A十B→R，已知CA0＜＜CB0，在平推流反应器中进行时，转化率为99％。若将此反应在上述反应器中进行，转化率可达多少？答：0.87121．某一级反应A→R，动力学方程式为(-rA)=kCA，k=0.2min-1。现有一非理想反应器，VR=10L，v=1L/min，用脉冲法测定停留时间分布后求得2=20min2。若CA0=1mol/L，用多釜串联模型计算A的出口浓度为多少？答：0.186mol／L22．某一级反应，反应温度150℃，活化能为83.7kJ／mol，在PFR中反应需容积VP，如改用CSTR，在同样温度下反应，达到同样的转化率，需容积VC。如转化率为0.6与0.9，要使VC=VP，问CSTR中应取的反应温度为多少？答：159、175.7℃23．用容积相同的PFR与CSTR串联组成反应器组，进行一级反应，若工艺操作条件相同，证明PFR在前、CSTR在后，与CSTR在前、PFR在后，两种组合所得结果相同。