化学反应工程总复习(2)

答案

一、填空题

1. 串联的全混区的个数N 、 Pe＝2. 积分法 、 微分法 。 3. 可能、不可能 4. 脉冲法 、 阶跃法 。 5. 11.58 6. m3/(mol.h) 7. 不能确定

8. 质量传递 、 动量传递 和 热量传递 、反应动力学 9. 均一 、 等于

10. 反应物吸附 、 表面反应、 反应产物的脱附

uL Ez二、选择题

1. BC 2. C 3.. B 4. BCD 5. B 6. A 7. C 8. BC 9. B 10. AC

11. BCD 12. A 13. BD 14. AC 15. B 16. A

三、计算题

1、在一反应器入口输入理想脉冲示踪物后，不同时间检测出口示踪物的浓度C，结果如下

所示：

时间，min CA，mol/L 0 0 5 4 10 11 15 10 20 5 25 4 30 2 35 0 现有某液相反应物A在该反应器中进行分解反应，速率方程为：

?rA?kCA , k = 0.30 min-1，

若用多级混合流模型预测时，该反应器的出口转化率为多少？ 解：根据脉冲示踪数据可得：

t??tiC(ti)?ti??tiC(ti)(等时间间隔）＝15min

?C(ti)?ti?C(ti)ti2C(ti)?ti2?tiC(ti)2??t??t??t(等时间间隔） C(t)?tC(t)?ii?i2=45.83min2

???2?t2t2＝0.204

故：N?1??2?1?4.90 0.2041?0.959 ktN(1?)N则：xA?1?CA?1?CA02、液体反应物A(CA0＝1mol/L)通过两个串联的全混流反应器发生某不可逆反应，第一个反应器出口的浓度为0.5 mol/L，两个反应器的体积比V2/V1=2，反应级数为2：

?rA?kCA2 mol/(L.min)

求第二个反应器出口的浓度。 解：全混流反应器的设计方程：??CA0?CA

?rA1?0.5 A1得：?1?V1?CA0?CA1?CA0?C?v0?rA1kCA12k0.52所以：k?1?2

A2 同理：?2?V2?CA1?CA2?CA1?C2v0?rA2kCA2k?2?CA1?CA2

CA22由：?2?V2?2 得：k?2?2k?1?4

?1V1A2故：CA1?C?4 2CA2解得： CA2＝0.25mol/L

3、某一级液相反应A?R在一只全混流反应器中进行，转化率为90％，如果再串连一只

同样的全混流反应器，使转化率仍维持在90％，试问处理量增加多少？ 解： 当反应在一个全混流反应器内进行时，根据全混流反应器的设计方程，有

1?xA?1 ……………….(1)

1?k?1当两个等体积全混流反应器串联时，转化率不变，则有

1?xA?1?(1?k)22 ………………..(2)

根据式（1），得k?1=9；根据式（2），得k??4.32 处理量之比等于空时的反比，即

v0?1?,v0?2.08v01。也就是说，处理量为原来v01?的2.08倍，增加了1.08倍。

4、某速率常数为0.37min-1的一级不可逆反应在一非理想反应器内进行反应，示踪结果表明，

2t和??分别为17min和0.25。求用多级混合流模型预测的转化率。

解：根据多级混合流模型无因次方差与N之间的关系，有

2 N?1/??=4

根据一级不可逆反应多级混合流模型转化率的表达式，有

1?xA?11??0.0230.37?17kt)4 (1?)N(1?4NxA?0.9775、纯组分A发生下述平行反应，

PA RrP=2CA mol/(L.min) rR=1 mol/(L.min) 2 mol/(L.min )S （目的产物）rS=CA

A的起始浓度为2mol/L, 反应在恒温的条件下进行，试确定在全混流反应器中目的产物S所能达到的最大浓度。 解：S的瞬时收率：

dCSCA2?S???dCA(1?CA)2

对于全混流反应器: ?S?CS??S

CA0?CACA2C?(C?C)??(C?C)() A0ASA0A故：S1?CAdCS?0,得：CA2?3CA?2CA0?0 令

dCA解得：CA＝1mol/L

故：CS,max?(CA0?CA)(CA)2?(2?1)(1)2?0.25mol/L

1?CA1?1

6.反应物A反应首先生成R (k1=5 hr-1)，R进一步反应生成S (k2=3 hr-1)和T (k3=1 hr-1)。如果浓度为1.0 mol/L的纯A在一个全混流反应器内进行反应，求R浓度达到最大值的空时及R的最大浓度。

解：根据一级不可逆串联反应在全混流反应器中进行反应时中间物种最大浓度及达到最大浓

度空时的公式，有

CR,maxCA0?1?0.28 1/22{[(k2?k3)/k1]?1}CR,max?0.28mol/L

?opt?1k1(k2?k3)?0.22 hr

说明：上述两公式也可通过对反应物A和产物R两次应用全混流反应器设计方程，求得产物R的浓度表达式，然后R的浓度对空时求导，并令导数为零，推导求出。

7.某速率常数为0.15 min-1的一级不可逆反应在一非理想反应器内进行反应，示踪结果表明，

2t和??分别为15min和0.21。求用多级混合流模型预测的转化率。

解：根据多级多级混合流模型知：

N?则：

1??2?1?4.76 0.21xA?1?CA?1?CA01?0.842 ktN(1?)N

8.纯组分A发生下述平行反应，

PA RrP=2CA mol/(L.min) rR=1 mol/(L.min) 2 mol/(L.min )S （目的产物）rS=CA

A的起始浓度为2mol/L，反应在恒温的条件下进行，试确定在平推流反应器中目的产物S所能达到的最大浓度。

dCSCA2?解：?S? ?dCA(1?CA)2对于平推流反应器：

CCCCS???CA?SdCA???CA(A)2dCA

A0A01?CA???CA(1?A0C12)dCA 1?CA1?CA011?? 1?CA1?CA01?CA?(1?CA0)?(1?CA)?2ln当?S～CA曲线下的面积最大，即A完全转化（CA＝0）时CS最大，即：

1CS,max?(1?2)?1?2ln3??1

3=0.469

四、推导题

1.假设含反应物A的新鲜原料进入体积为V的全混流反应器进行反应，其组成为CA0，空时为?，出口转化率为XA，出口处的反应速率为-rA，请推导全混流反应器的设计方程

?CA0解：针对反应器列出物料平衡方程：

?XA。 ?rA[入方]＝[出方]＋[反应消失的量]＋[累积量]

全混流反应器为连续稳定流动式反应器，累积量为0，反应器中的浓度及反应速率均与出口处相同，其中：

入方为：FA0

出方为：FA＝FA0（1－XA）， 反应消失的量为：－rAV

CA0 FA0 v0 XA -rA

则得：FA0?FA0(1?XA)?(?rAV) 即：FA0XA??rAV 或者：

?CA0?XV?A FA0?rA

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