新乡学院《化学反应工程》试题及答案

《化学反应工程》试题二、计算分析题1.在恒容条件下，反应A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB=20kmol/m3时，计算反应转化率xA、xB及各组分的浓度。解：在恒容条件下：xB=(CB0-CB)/CB0=0.8由CA0-CA=(CB0-CB)/2得到：CA=20kmol/m3=60kmol/m3xA=(CA0-CA)/CA0=0.42.在恒压条件下，反应A+2B==R，原料气组成为CA0=CB0=100kmol/m3，计算当CB=20kmol/m3时，反应转化率xA、xB及各组分的浓度。解：δB=(1-1-2)/2=-1;yB0=0.5n=n0(1+yB0δBxB)=n0(1-0.5xB)在恒压条件下：V=V0n/n0=V0(1-0.5xB)CB=nB/V=nB0(1-xB)/[V0(1-0.5xB)]=CB0(1-xB)/(1-0.5xB)xB=8/9nA0-nA=(nB0-nB)/2xA=(nA0-nA)/nA0=(nB0-nB)/(2nA0)=(nB0-nB)/(2nB0)=0.5xB=4/93.串联-平行反应A+B==R，A+R==S，原料中各组分的浓度为CA0=2.0mol/L，CB0=4.0mol/L，CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CA=0.3mol/L，CR=1.5mol/L，计算此时组分B和S的浓度。解：在恒容条件下：ΔCA1=CB0-CB；ΔCA2=CS；CR=(CB0-CB)-CS；CA0-CA=ΔCA1+ΔCA2得到：CS=(CA0-CA-CR)/2=(2.0-0.3-1.5)/2=0.1mol/LCB=CB0-CR-CS=4.0-1.5-0.1=2.4mol/L4.在间歇反应器中进行等温2级、1级、0级均相反应，分别求出转化率由0至0.9所需的时间与转化率由0.9至0.99所需时间之比。解：在间歇反应器中：210AAxxAAArdxCt0级反应：)(120021AAAxxAAxxkCkdxCtAA，109.099.009.099.0~9.09.0~0tt1级反应：210011ln1)1(21AAxxAAAAxxkxkCdxCtAA，5.0lnln99.019.019.010199.0~9.09.0~0tt2级反应：22022011111)1(210AAAxxAAAxxkCxkCdxCtAAA，1.09.01199.0110119.01199.0~9.09.0~0tt5.在等温恒容条件下进行下列气相反应：A→2R其反应速率方程为VnkdtdnVrAAA1，试推导：（1）以A组分转化率xA表示的反应速率方程；（2）以总压P表示的速率方程。假定原料组分为50%A和50%惰性气体，气体为理想气体。解：（1）VxnkdtdxVnAAAA)1(00)1(AAxkdtdx（2）δA=(2-1)/1=1yA0=0.5n=n0(1+yA0δAxA)=n0(1+0.5xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2)5.1(0PPkdtdP6.在间歇反应器中进行等温二级反应A==B，反应速率：)/(01.02sLmolCrAA当CA0分别为1、5、10mol/L时，分别计算反应至CA=0.01mol/L所需的时间。解：在间歇反应器中可视为恒容反应可视为：201.0AACdtdC011100AACCt当CA0=1mol/L时，t=9900s当CA0=5mol/L时，t=9950当CA0=10mol/L时，t=9990s7.试画出反应速率常数k与温度T的关系示意图。解：RTEekk0TREkk1lnln0lnk与1/T作图为一直线8.某气相恒容反应在400K时的速率式为：237.0AApdtdpMPa/h，（1）试问反应速率常数的单位是什么？（2）若速率式写成2AAAkCVdtdnrkmol/(m3·h)，试问此反应的速率常数为多少？解：（1）反应速率常数的单位：(h·MPa)-1（2）6331011010AAAPRTCVnVdtdnRTdtdPAA310AARTCP310231037.0AARTCVdtdn2.1400314.81037.01037.033RTkm3/(kmol·h)9.等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应A==B+C，在5min内有50%的A分解，要达到分解率为75%，问需多少反应时间？若反应为2级，则需多少反应时间？解：一级反应：)1ln(111ln1)1(000AAxAAAAxkxkxkCdxCtAmin10)5.01ln()75.01ln(5.075.0tt二级反应：AAAxAAAxxkCxkCdxCtAA11)1(002200min155.05.0175.0175.05.075.0ttlnk1/T10.液相自催化反应A==B的速率方程为BAAACkCdtdCrmol/(L·h)，在等温间歇釜中测定反应速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L，经过1小时后测得反应速率最大值，求该温度下反应速率常数k。解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA)1(AAAACkCdtdCr反应速率最大时：0)21()(dtdCCkdtrdAAA，得到CA=0.5mol/L对反应速率式积分得到)1()1(ln00AAAACCCCkt，代入数据得到k=2.944L/(mol·h)11.对于气相反应：A→3P其反应速率方程为-rA=kCA，试推导在恒容条件下以总压P表示的反应速率方程。假定原料为50%A和50%惰性组分，气体符合理想气体。解：在恒容条件下)1(00AAAAAxkCdtdxCr)1(AAxkdtdxδA=(3-1)/1=2yA0=0.5n=n0(1+yA0δAxA)=n0(1+xA)xA=n/n0-1=P/P0-1)2(0PPkdtdP12.对于气相反应：A→3P其反应速率方程为-rA=kCA，在一平推流反应器中进行等温恒压反应。已知反应器体积为V，原料体积流量为v0，初始浓度为CA0。试推导：其反应器设计方程，并以A组分转化率xA表示成易积分的形式。假定原料为纯A，气体符合理想气体。解：δA=(3-1)/1=2yA0=1等温恒压：v=v0(1+yA0δAxA)=v0(1+2xA)AAAAAAAAxxCxvxFvFC211)21()1(000AAAxAxAAxAAAdxxxkCkCdxrdxFVAAA121100000AxAAdxxxkA0121113.在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：目的产物为P，反应器体积为V，体积流量为v0，进料为纯A组分，浓度为CA0。（1）各组分的浓度表达式；（2）导出产物P的总收率、选择性表达式；（3）导出产物P浓度达到最大所需的空时，即最优空时。解：全混流反应器中对A组分作物料衡算)(0AAArVFFAAACVkCCv100)(101kCCAA对P组分作物料衡算：k1k2APSPPPVrFF0)(210PAPCkCkVCv)1)(1(1210121kkCkkCkCAAP)1)(1()1)(1(121022121011000kkCkkkkCkkCCCCCCAAAAPAASP的总收率：200011kCCCnnnnAAPAAPPPΦP的总选择性：2001kCCnnnnSSPSSPPPP的浓度达到最大需满足：0ddCP得到最优空时：211kk14.某一级气相反应A==2P，反应速率常数k=0.5min-1，按下列条件进行间歇恒容反应，1min后反应器内的总压为多少？反应条件：(1)1atm纯A；(2)10atm纯A；(3)1atmA和9atm惰性气体。解：一级反应：)1(AAxkdtdx393.0115.0eexktAδA=(2-1)/1=1n=n0(1+δAyA0xA)=n0(1+yA0xA)P=P0(1+yA0xA)(1)1atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=1.393atm(2)10atm纯A：yA0=1P=P0(1+yA0xA)=13.93atm(3)1atmA和9atm惰性气体：yA0=0.1P=P0(1+yA0xA)=10.393atm15.某二级液相反应A+B==C，已知在间歇全混釜反应器中达到xA=0.99需反应时间为10min，问：（1）在平推流反应器中进行时，空时τ为多少？（2）在全混流反应器中进行时，空时τ为多少？（3）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？解：2AAkCdtdC9.999.0199.0101110AAAxxtkC（1）在平推流反应器中：min1099.0199.09.91110AAAxxkC（2）在全混流反应器中：min1000)99.01(9.999.0)1(220AAAxkCx（3）两个等体积串联全混流反应器中：第一个釜2101)1(5.0AAAxkCx第二个釜22012)1(5.0AAAAxkCxx由试差法计算得到：τ=51.5min16.自催化反应A+R→2R其速率方程为：-rA=kCACR（1）在等温条件下进行反应，已知CA0和CR0，要求最终转化率为xAf。为使反应器体积最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；（2）此最小反应器总体积表达式；3、在FA0/(-rA)～xA图上表示各反应器的体积。解：（1）最合适的理想反应器组合方式：全混釜反应器串联平推流反应器（2）反应速率最大点是两个反应器的分界点。CA+CR=CA0+CR0CR=CA0+CR0-CA=CM-CA)(AMAACCkCr反应速率最大时，d(-rA)/dt=0CA=0.5CM①若CAf≥0.5CM，即0002ARAAfCCCx，仅用一个全混釜即可))(1()(00000RAfAAfAfRAAfAmCxCxkxvCkCCCvV②若CAf＜0.5CM，即0002ARAAfCCCx全混釜体积：)()(2)2(2)(00200002000RARAMAMRAAAmCCCCkvCCkCvCkCCCvV平推流体积：AfMCCRAAPCkCdCvV5.00)1(ln)(000000AfAAfARRAPxCxCCCCkvVV=Vm+VP17.对于反应速率方程为nAAkCr的液相反应，为达到一定的生产能力，试讨论当n＞0、n=0和n＜0时，如何选择型式（平推流或全混流）使反应器体积最小，并简单说明理由，并在AAAxrF~0图上表示反应器的体积。xAf0FA0/(-rA)VmVP解：当n=0时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器型式无关。当n＞0时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择平推流反应器。当n＜0时，反应速率与反应物浓度呈负效应，而平推流反应器的浓度水平明显高于全混流型式，故选择全混流反应器。18.一级等温反应A==P，活化能为83140J/mol，在平推流反应器中进行反应，反应温度为420K，反应器体积为Vp，如改为全混流反应器，其体积为Vm，为达到相同的转化率xA=0.6，（1）若反应操作温度相同，则Vm/Vp之值应为多少？（2）若Vm/Vp=1，则全混流反应器的操作温度应为多少？解：（1）AAAAmxxkCFV100AAAPxkCFV11ln0094.211ln/1AAAPmxxxVV（2）Vm/Vp=1，同样得到