反应工程习题PPT课件

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1、 1.串联-平行反应A+B=R，A+R=S，原料中各组分的浓度为CA0mol/L，CB0 mol/L，CR0=CS0=0，在间歇反应器中恒容操作一定时间后，得到CAmol/L，CR mol/L，计算此时组分B和S的浓度。解：在恒容条件下：CA1=CB0-CB；CA2=CS；CR=(CB0-CB)-CS；CA0-CA=CA1+CA2得到：CS=(CA0-CA-CR mol/LCB=CB0-CR-CS mol/L 在等温恒容条件下进行下列气相反应：A2R其反应速率方程为，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

2、理想气体。解：（1）（2）A=(2-1)/1=1 yA0=0.5 n=n0(1+yA0A xA)=n0 xA)xA=2n/n0-2=2P/P0-2VnkdtdnVrAAA1VxnkdtdxVnAAAA)1(00)1(AAxkdtdx)5.1(0PPkdtdP某气相恒容反应在400K时的速率式为：MPa/h，（1）试问反应速率常数的单位是什么？（2）若速率式写成 kmol/(m3h)，试问此反应的速率常数为多少？解：（1）反应速率常数的单位：(hMPa)-1（2）237.0AApdtdp2AAAkCVdtdnr6331011010AAAPRTCVnVdtdnRTdtdPAA310AARTCP31

3、0231037.0AARTCVdtdn 2.1400314.81037.01037.033RTk m3/(kmolh)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：0级反应：1级反应：2级反应：210AAxxAAArdxCt)(1120021AAAxxAAxxCkkdxCtAA109.099.009.099.09.09.00tt，210011ln1)1(21AAxxAAAAxxkxkCdxCtAA1lnln99.019.019.010199.09.09.00tt，22022011111)1(210

4、AAAxxAAAxxkCxkCdxCtAAA1.09.01199.0110119.01199.09.09.00tt，液相自催化反应A=B的速率方程为mol/(Lh)，在等温间歇釜中测定反应速率，CA0=0.95mol/L，CB0=0.05mol/L，经过1小时后可测得反应速率最大值，求该温度下的反应速率常数k。解：CB=CA0+CB0-CA=1-CA 反应速率最大时：得到CA=0.5 mol/L 对反应速率式积分得到，代入数据得到k=2.944 L/(molh)BAAACkCdtdCr)1(AAAACkCdtdCr0)21()(dtdCCkdtrdAAA)1()1(ln00AAAACCCCkt

5、 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0，转化率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为 ，转化率为 。CA0(1-xA)n 1-(1-xA)n 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为CA0，转化率为xA，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为 ，转化率为 。0)1(11AAACxnxAAxnnx)1(1 在间歇反应器中进行等温二级反应A=B，反应速率：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：当CA0=1mol/L时，t=9900s 当CA0=5

6、mol/L时，t=9950s 当CA0=10mol/L时，t=9990s)/(01.02sLmolCrAA 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：二级反应：)1ln(111ln1)1(000AAxAAAAxkxkxkCdxCtAmin10)5.01ln()75.01ln(5.075.0 ttAAAxAAAxxkCxkCdxCtAA11)1(002200min155.05.0175.0175.05.075.0 tt 对于气相反应：A3P 其反应速率方程为-rA=

7、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：A=(3-1)/1=2 yA0=1 等温恒压：v=v0(1+yA0A xA)=v0(1+2xA)AAAAAAAAxxCxvxFvFC211)21()1(000AAAxAxAAxAAAdxxxkCkCdxrdxFVAAA121100000AxAAdxxxkA01211 对于气相反应：A3P 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%

8、惰性组分，气体符合理想气体。解：在恒容条件下 A=(3-1)/1=2 yA0=0.5 n=n0(1+yA0A xA)=n0(1+xA)xA=n/n0-1=P/P0-1)1(00AAAAAxkCdtdxCr)1(AAxkdtdx)2(0PPkdtdP在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：在一全混流反应器中进行下列一级不可逆串联反应：目的产物为目的产物为P，反应器体积为，反应器体积为V，体积流量为，体积流量为v0，进料为纯，进料为纯A组分，浓度为组分，浓度为CA0。（1）各组分的浓度表达式；）各组分的浓度表达式；（2）导出产物）导出产物P的总收率、选择性表达式；的总收率、选择性表达式；（3

9、）导出产物）导出产物P浓度达到最大所需的空时，即最优空时。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k1k2APS)(0AAArVFFAAACVkCCv100)(101kCCAA 对P组分作物料衡算：PPPVrFF0)(210PAPCkCkVCv)1)(1(1210121kkCkkCkCAAP )1)(1()1)(1(121022121011000kkCkkkkCkkCCCCCCAAAAPAASP的总收率：200011kCCCnnnnAAPAAPPPP的总选择性：2001kCCnnnnSSPSSPPP0ddCP211kkP的浓度达到最大需满足：得到最优空时：某一级

10、气相反应某一级气相反应A=2P，反应速率常数，反应速率常数k-1，按下列条件进行间歇，按下列条件进行间歇恒容反应，恒容反应，1min后反应器内的总压为多少？反应条件：后反应器内的总压为多少？反应条件：(1)1atm纯纯A；(2)10atm纯纯A；(3)1atm A和和9atm惰性气体。惰性气体。解：一级反应：A=(2-1)/1=1 n=n0(1+A yA0 xA)=n0(1+yA0 xA)P=P0(1+yA0 xA)1atm纯A：yA0=1 P=P0(1+yA0 xA 10atm纯A：yA0=1 P=P0(1+yA0 xA 1atm A和9atm惰性气体：yA0=0.1(1)P=P0(1+yA

11、0 xA)1(AAxkdtdx393.0115.0eexktA 对于反应速率方程为的液相反应，为达到一定的生产对于反应速率方程为的液相反应，为达到一定的生产能力，试讨论当能力，试讨论当n0、n=0和和n0时，如何选择型式时，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（平推流或全混流）使反应器体积最小，并简单说明理由，并在图上表示反应器的体积。理由，并在图上表示反应器的体积。解：当解：当n=0时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器时，反应速率与反应物浓度无关，故与反应器型式无关。型式无关。当当n0时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平推流反时，反应速率与反应物浓度呈正效应，而平

12、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。器。当当n0时，反应速率与反应物浓度呈负效应，而平推流反时，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。器。xAFA/(-rA)n0 xAFA/(-rA)n=0 xAFA/(-rA)n=0 某二级液相反应某二级液相反应A+B=C，CA0=CB0已知在间歇全混釜反应器中达到已知在间歇全混釜反应器中达到xA=0.99需反应时间为需反应时间为10min，问：（，问：（1）在平推流反应器中进行时

13、，）在平推流反应器中进行时，空时空时为多少？（为多少？（2）在全混流反应器中进行时，空时）在全混流反应器中进行时，空时为多少？（为多少？（3）若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时若在两个等体积串联全混流反应器中进行时，空时又为多少？又为多少？解：2AAkCdtdC9.999.0199.0101110AAAxxtkC （1）在平推流反应器中：min1099.0199.09.91110AAAxxkC（2）在全混流反应器中：min1000)99.01(9.999.0)1(220AAAxkCx2101)1(5.0AAAxkCx22012)1(5.0AAAAxkCxx（3）两个等体积串联全混流反

14、应器中：第一个釜 第二个釜由试差法计算得到：XA1=0.95=76min 一级等温反应一级等温反应A=P，活化能为，活化能为83140J/mol，在平推流反应器中进行反，在平推流反应器中进行反应，反应温度为应，反应温度为420K，反应器体积为，反应器体积为Vp，如改为全混流反应器，其体积，如改为全混流反应器，其体积为为Vm，为达到相同的转化率，为达到相同的转化率xA=0.6，（，（1）若反应操作温度相同，则）若反应操作温度相同，则Vm/Vp之值应为多少？（之值应为多少？（2）若）若Vm/Vp=1，则全混流反应器的操作温度应为，则全混流反应器的操作温度应为多少？多少？AAAAmxxkCFV100

15、AAAPxkCFV11ln00解：（1）94.211ln/1AAAPmxxxVV（2）Vm/Vp=1，同样得到：94.211ln/1AAAPmxxxkkmRTEekkm0pRTEekkp094.2)(11mTPTREe 代入数据得到：Tm=440K 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，出口转化率为反应器，出口转化率为0.99，若将两个反应器改换次序，问出，若将两个反应器改换次序，问出口转化率为多少？口转化率为多少？将平推流反应器将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：全混流反应器时的条件代入，计算得到：kC

16、A0 全混流反应器全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口平推流反应器：先计算全混流出口xA 全混流出口全混流出口xA就是平推流进口就是平推流进口xA，计算平推流出口，计算平推流出口xAAinAoutAxxkC1111020)1(AoutAinAoutAxxxkC解：等温二级反应得到，平推流解：等温二级反应得到，平推流全混流：全混流：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？将平推流反应器+全混流反应器时的条件代入，计算得到：k 全混流反应器+平推流反应器：先计算全混流出口xA 全混流出口xA就是平推流进口

17、xA，计算平推流出口xAAoutAinxxk11lnAoutAinAoutxxxk1解：等温一级反应得到，平推流全混流：平行反应：平行反应：其中其中P为目的产物，在等温操作中，证明：采用全为目的产物，在等温操作中，证明：采用全混流反应器最大产物浓度混流反应器最大产物浓度CPmax=CA0；采用平推流反应器；采用平推流反应器最大产物浓度最大产物浓度CPmax=CA0/(1+CA0)。AP rP=1S rS=2CAT rT=CA2液相反应 从有利于产品分布的观点，（从有利于产品分布的观点，（1）将下列操作方式按优）将下列操作方式按优劣顺序排列，并说明理由。劣顺序排列，并说明理由。（2）若反应活化能

18、）若反应活化能E1E2，应如何选择操作温度？应如何选择操作温度？A+BS(副反应)rS=k2CA2.0CB0.2R(主反应)rR=k1CACB等温一级不可逆平行反应：等温一级不可逆平行反应：进料为纯进料为纯A浓度为浓度为CA0，连续操作空时为，连续操作空时为，试分别推导出反应器出口各组分的浓度：，试分别推导出反应器出口各组分的浓度：（1）平推流反应器；）平推流反应器；（2）全混流反应器。）全混流反应器。AP rP=k1CAS rS=k2CA 自催化反应自催化反应A+R2R其速率方程为：其速率方程为：-rA=kCACR (1)在等温条件下进行反应，已知在等温条件下进行反应，已知CA0和和CR0，

19、要求最终转化率为，要求最终转化率为xAf。为使反。为使反 应器体积最小。试问：最合适的理想反应器组合方式；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；此最小反应器总体积表达式；(3)在在FA0/(-rA)xA图上表示各反应器的体积。图上表示各反应器的体积。解：（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）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。）反应速率最大点是两个反应器的分界点。CA+CR=CA0+CR0 CR=CA0+CR0-CA=CM-CA)(AMAACCkCr反应速率

20、最大时，反应速率最大时，d(-rA)/dt=0 CACM0002ARAAfCCCx)(1()(00000RAfAAfAfRAAfAmCxCxkxvCkCCCvV若若CAfCM，即，即，仅用一个全混釜即，仅用一个全混釜即可可若CAfCM，即0002ARAAfCCCx)()(2)2(2)(00200002000RARAMAMRAAAmCCCCkvCCkCvCkCCCvVAfMCCRAAPCkCdCvV5.00)1(ln)(000000AfAAfARRAPxCxCCCCkvV全混釜体积：平推流体积：V=Vm+VPF()和E()分别为闭式流动反应器的无因次停留时间分布函数和停留时间分布密度函数。（1）

21、若反应器为平推流反应器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)（2）若反应器为全混流反应器，试求：(a)F(1)；(b)E(1)；(c)F(0.8)；(d)E(0.8)；(e)E(1.2)（3）若反应器为一非理想反应器，试求：(a)F()；(b)E()；(c)F(0)；(d)E(0)；(e)；(f)0)()(dE0)()(dE 试分别在图上画出下列流动模型的停留时间分布函数F(t)和停留时间分布密度函数E(t)VmPFRCSTRVpv0曲线：举出与它有相同停留时间分布的另一种流动模型，这说明了什么问题。丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总

22、反应为丁烯在某催化剂上反应的到丁二烯的总反应为C4H8(A)=C4H6(B)+H2(C)假设反应按如下步骤进行：假设反应按如下步骤进行：A+AA B+CB B+假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程：假定符合均匀吸附模型，试分别推导动力学方程：A吸附控制；吸附控制；B脱附控制；脱附控制；1.表面反应控制。表面反应控制。在气固相催化剂表面进行下列气相可逆反应：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：其反应机理为：A+1A1B+2B2A1+B2R1+2 (速率控制步骤速率控制步骤)R1R+1试用试用Langmuir均匀吸附模型导出该反应的本征均匀吸附模型导出该反应的本征

23、动力学方程动力学方程。工业催化剂所必备的三个主要条件工业催化剂所必备的三个主要条件 、和和 。化学吸附的吸附选择性要化学吸附的吸附选择性要 物理吸附的吸附选择性。物理吸附的吸附选择性。化学吸附的吸附热要化学吸附的吸附热要 物理吸附的吸附热。物理吸附的吸附热。化学吸附常为化学吸附常为 分子层吸附，而物理吸附常为分子层吸附，而物理吸附常为 分子分子层吸附。层吸附。操作温度越高物理吸附操作温度越高物理吸附 ，化学吸附，化学吸附 ；在气固相催化反应中动力学控制包括在气固相催化反应中动力学控制包括 、和和 。气固相催化反应本征动力学指消除气固相催化反应本征动力学指消除 影响测得影响测得的动力学。的动力学

24、。气固相催化反应的本征动力学与宏观动力学的主要区别气固相催化反应的本征动力学与宏观动力学的主要区别是是 。在气固相催化反应中测定本征动力学可以通过在气固相催化反应中测定本征动力学可以通过 消除外消除外扩散、通过扩散、通过 消除内扩散。消除内扩散。固体颗粒中气体扩散方式主要有固体颗粒中气体扩散方式主要有 和和 。固体颗粒中当孔径固体颗粒中当孔径 以分子扩散为主，而当孔径以分子扩散为主，而当孔径 以努森扩散为主。以努森扩散为主。气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择气固相催化串联反应，内扩散的存在会使中间产物的选择性性 。气固相催化平行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的气固相催化平

25、行反应，内扩散的存在会使高级数反应产物的选择性选择性 。Thiele模数的物理意义模数的物理意义 。催化剂的有效系数为催化剂的有效系数为 催化剂粒径越大，其催化剂粒径越大，其Thiele模数越模数越 ，有效系数，有效系数越越 ；气固相非催化反应缩核模型中气相反应物气固相非催化反应缩核模型中气相反应物A的反应历程主要有三步，分别是的反应历程主要有三步，分别是 、和和 某非催化气固相反应：A(g)+2B(s)=R(g)+S(s)，假定固体反应物为球型颗粒，若过程为气膜扩散控制，试采用缩核模型推导其动力学方程（t与xB的关系）。提示：气膜扩散方程：nB=mVc=)(1ASAGGARCCkdtdnSmcr334