化学反应工程第三版课后答案

化学反应工程第三版课后答案

【篇一：化学反应工程第二版课后习题】

> 2

何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么? 3

4

5

现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。

(1)a+2b?c a+c? d (2)a+2b?c b+c?d c+d→e (3)2a+2b?c

a+c?d

10mkmols。现以气相分压来表示速率方程，即(?ra)=kppapb，求kp=?（假定气体为理想气体）

4

6

-2-1

2

化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?

若将反应速率写成?ra??

dcadt

，有什么条件?

为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器? 7

8

反应a(g) +b(l)→c(l)气相反应物a被b的水溶液吸收，吸收后a与b生成c。反应动力学方程为：?ra=kcacb。由于反应物b在水中的浓度远大有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80％，经过18min后，转化掉90％，求表达此反应的动力学方程式。

反应2h2?2no?n2?2h2o，在恒容下用等摩尔h2，no进行实验，测得以下数据总压/mpa 半衰期/s

10 考虑反应a?3p，其动力学方程为?ra??

容下以总压表示的动力学方程。

11 a和b在水溶液中进行反应，在25℃下测得下列数据，试确定该反应反应级数和反应速度常数。

116.8 319.8 490.2 913.8 1188 时间/s

-3

12 丁烷在700℃，总压为0.3mpa的条件下热分解反应：

c4h10→2c2h4+h2 (a) (r)(s)

起始时丁烷为116kg，当转化率为50%时?

dprdnsdya

，?。 dtdtdt

dpadt

?0.24mpa?s

?1

3-1-1-3-3

3-1

0.0272

265 0.0326 186 0.0381 135 0.0435 104 0.0543 67

求此反应的级数。

1v

dnadt

nav

??k试推导在恒

∞ 42.4 0

，求此时

14 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：

24

ch3cooh?c4h9oh????ch3cooc

hso

4

h9?h2o

?a? ?b? ?r? ?s?

反应物配比为：a(mol):b(mol)=1:4.97，反应在100℃下进行。a

转化率达50％需要时间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸

-3

15 反应(ch3co)2o+h2o→2ch3cooh在间歇反应器中15℃下进行。已知一

-37

16 在100℃下，纯a在恒容间歇反应器中发生下列气相反应:

2a→r+s

a组分分压与时间关系见下表:

17 间歇操作的液相反应a→r，反应速率测定结果列于下表。欲使反应物浓-3-3a-3-1

18 一气相分解反应在常压间歇反应器中进行，在400k和500k温度下，其

19 有如下化学反应

ch4+c2h2+h2=c2h4+ch4 (i) (a) (b) (p)(i)

在反应前各组分的摩尔数分别为ni0=1mol；na0=2mol；

nb0=3mol；np0=0，求化学膨胀率（用两种方法）。

-3

20 在555k及0.3mpa下，在平推流管式反应器中进行气相反应

a→p，已知

21 液相一级不可逆分解反应a→b+c于常温下在一个2m3全混流反应器

24 在全混流反应器中进行如下等温液相反应：

rc=k1ca2 2a→b＋c

rd=2k2cacb a＋b→2d

-3

-3

-1

-3-1

-1

第二章习题

1. 动力学方程的实验测定时，有采用循环反应器的，为什么?

2. 为什么可逆吸热反应宜选平推流反应器且在高温下操作，而可逆放热反应

却不是?根据可逆放热反应的特点，试问选用何种类型反应器适宜?为什

么?

3. 一级反应a→p，在一体积为vp的平推流反应器中进行，已知进料温度为

1

???

4. 在体积vr=0.12m的全混流反应器中，进行反应a?br?s，式 ???k

3

k

2

b的转化率为75％时，求每种物料的流量。

??，已知?3

5. 可逆一级液相反应a?ca0?0.5kmol?m,p

???

cp0?0

；当此反

应在间歇反应器中进行，经过8min后，a的转化率为33.3%，而平衡转

化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。

6. 平行液相反应

a→prp=1

【篇二：化学反应工程习题解答吴元欣】

解：（1）反应的选择性为：

s?

y0.629

??0.9611?96.11% x0.720

（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：

组分摩尔分率yi0 摩尔数ni0(mol)

ch3oh 空气 h2o 总计

2/（2+4+1.3）=0.2740 4/（2+4+1.3）=0.5479 1.3/（2+4+1.3）

=0.1781

1

27.4 54.79 17.81 100

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：

na=na0(1-xa)=7.672 mol np=na0yp=18.96 mol 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=nw0+np+2nc=38.30 mol no=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 mol

nn=nn0=43.28 mol

所以，反应器出口气体组成为：

组分摩尔数（mol）摩尔分率%

ch3oh hcho h2o co2 o2 n2

7.672 18.96 38.3 0.7672 0.8788 43.28

6.983 1

7.26 34.87 0.6983 0.7999 39.39

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

c2h4?o2???c2h4o (1)

2

c2h4?3o2???2co2?2h2o(2)

可列出下表：

组成 c2h4 o2 c2h4o co2 h2o ar n2 反应器进口/%

15 7 0 10 0 12 56 反应器出口/% 15-x-0.5y 7-0.5x-1.5y

x 10+y y 12 56 由于反应器出口气出下面两个方程：

15?x?

yx3y

7??

?0.131及 ?0.048 xx100?100?

22

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%

1-5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：

100?

27.0

?103.4mol 26.1

x?

丁二烯的收率

7.05?1.758

?75.1%

7.054.6?0.06

?64.4%

7.05

y?

丁二烯的选择性

s?

y0.644??85.75% x0.751

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： 10?1.6

?100%?84% 107.65

?2

单程收率 y??100%?53.37%

10307.65

?2总收率y??100%?63.54% 10?1.630

y53.37%??100%?63.54% 选择性s?x84%

转化率x?

第二章均相反应动力学

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?1.6ca?16.4ca?1.6ca(1?10.25ca)

dcadca

?1.6ca(1?10.25ca) 由ra??得： ?

dtdt

对上式积分：

1?

(1?x)?a?ca10.25ca0110.25

1.6t???(?)dca??ln(1?xa)?ln?

ca01ca10.25ca?1?1?

?10.25ca0?

0.6332t??0.3958h

1.6

??? ???

2-4解：（1）由题意可将反应速率表示为:

a?2b???c?4d rc?kcacb

对于恒容过程，则有

ca?ca0(1?xa)cb?cb0?2ca0xaca0cb0

当xa0?0.8时

pa00.1013?0.2?3

???2.382?10mol/lrt8.314?10?3?1023

?4ca0?4?2.382?10?3?9.528?10?3mol/l

ca?ca0(1?xa)?2.382?10?3?0.2?4.767?10?4mol/l

cb?cb0?2ca0xa?9.528?10?3?2?2.382?10?3?0.8?5.717?10?3m ol/l r?3c?rc?kcacb?2?4.764?10?4?5.717?10?5.447?10?6mol/l r5d?4rc?4?5.447?10?6?2.179?10?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

?a??

?t1???4?1?2?2 a1

反应物a的原始分率：

y1

a0?

1?4

?0.2 由

（

2.52

）

式

可

求

得

转

化

率

为

80%

时

的

浓

度

cca0(1?xa)2.382?10?3?(1?0.8)a?1????3.609?10?4mol/l

aya0xa1?2?0.2?0.8

ccb0?2ca0xa9.528?10?3?2?2.382?10?3?0.85b?1??y?.2?0.8?4. 331?10?mol/l

aa0xa1?2?0r?6a?kcacb?2?3.069?10?4?4.331?10?5?3.126?10 mol/l r6c?rc?3.126?10?mol/l

2-8解：在初始浓度相同的条件下，有：k1t1?k2t2

又 k?ae?ert

∴ ln

k1k??ert(1t?1) 22t1

则 e??r(

1t?1

t)lnt2 12t1

代入数据，得e?98.074kj/mol

2-13解：对二级反应 a?b?

??p 有 rdca

a??dt

?kcacb?kca(cb0?ca0?ca) 对上式积分 t?1

k(c)1?xb1?x)

b0?ca0a

a）. m?

cb0?ca0

c?1时，cb0?2ca0

a0

当x0.5时，x?3

a?b1?0.25,t1?5.4?10h；

：

当xa?0.9时，xb2?0.45,t2?2.27?10?2h；当xa?0.99时，

xb3?0.495,t3?5.23?10?2h。 b）. m?

cb0?ca0

?5时，cb0?6ca0

ca0

?1?0.083,t1??1.616?10?3h；当xa?0.5时，xb

?2?0.15,t2??5.72?10?3h；当xa?0.9时，xb

?3?0.165,t3??1.18?10?2h 当xa?0.99时，xb

讨论：在初始物料相同的条件下，要求的转化率越高则所需要的反应时间越长，而且在高转

化率时增大一定的转化率所需的时间较低转化率时要长得多；在转化率一定的条件下，过量比越大，所需要的反应时间越短。

【篇三：化学反应工程第三章习题答案】

积为1m的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液

进行反应a→2b+c。已知由反应器流出的物料中含有a、b和c，

与水反应生成丙二醇

caf?0.04mol/l。试求：在反应器内条件下，a、b和c的反应速率？ h2cochch3?h2o?h2cohchohch3

该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.98h

?1

，原料液

中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m3

，环氧丙烷的最终转化率为90%。若辅助时间为0.65h，一天24h

连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？解h2cochch3

?h2o?h2cohchohch3

( a ) ( b )一级反应

t?1klnc1111c?ln1?x?ln?2.35h

afkaf0.981?0.9

v?vt?t?1m3?1m3

0/h

0(2.35?0.65)h3

丙二醇日产量=24v0ca0xaf

?1

=243

?2.1?0.9?15.12kmol/天

mb

?76kg/kmol

丙二醇日产量q?76?15.12?1149

.12kg/天 3-2一个含

有a和b液体(ca0?0.10mol/l、cb0?0.04mol

/l) 以体积流量2l/min流入容积vr=10l的全混流反应器，物料在最

佳的条件下

vr10l

解空时

??v??5min 02l/min

ca0?caf

r??

af

r0?caf

?

(0.1?0.04)mol/l af?

ca?

5min

?0.012mol/l?min

rbf?2raf?0.024mol/(l?min)

rcf

?raf?0.012mol/(l?min)

3-3 一个液相反应：a+b→r+s

其中，k1

?7l/(mol?min)，k2?3l/(mol?min)。

反应是在一个容积为120l的稳态全混流反应器中进行的，两条加料线，一个保持2.8mol/l反应物a的加料浓度，另一个保持1.6mol/l 反应物b的加料浓度，两条线分别以等体积速率进入反应器，要求指定组分转化率为75%。求每条线的加料流量？假设反应器内密度为常数。解

a?b?????

k

1?k2

r?s

因b的浓度低，所以为指定组分，两条线混合后两组份的浓度各降一

半，因此，有：

xbf?

cb0?cbf

cb0

?1?

cbfcb0

?75%

ca0?cb0?2mol/l，要使出口a的转化率达0.875。求

3

0.278m/ks，求全混釜体（1）在单个全混釜中进行，进料体积为

cbf?0.2mol/l

积？

（2）当进料体积流量不变，用两个相等体积的釜串联，求全混釜总体积。

caf?ca0?cb0xbf?1.4?0.8?0.75?0.8mol/l

??k1?

因此，

r?s 出口

初始 1.4 0.800 caf?0.8mol/l 反应掉 0.6 0.6 生成 0.6 0.6 cbf ?0.2mol/l

rbf?k1cafcbf?k2crfcsf

?7?0.8?0.2?3?0.6?0.6?0.04mol/l?min

??

cb0?cbf

?0.8?0.2rbf

0.04

?15min

vr

120总加料速率v0

???l

15min?8l/min

每条线加料流量v

?v02

?4l/min

3-4 某液相二级反应

a+b→r+s，其速率常数

k?9.92m3/(kmol?ks)

，在全混流反应器中进行，

解 1. v0

?0.278m3

/ks caf?ca0(1?xaf)?0.25mol/l

cbf?0.25mol/l

??

ca0?caf

ca0xafr?

kc?2?0.875

afcbf

9.92?0.25

2?2.823ksaf

釜体积为 vr?v0

??0.278?2.823?0.785m3

2. 两釜串联 vri

?vr

2

?xa1xa2?xa1

?a0(1?xa1)kca0(1?xa2)2

?xa2?xaf?0.875

?xa1?0.725

??xa1

1kc(1?x2

?0.483ksa0a1)

，

vri?v0?i?0.278?0.483?0.134 vr?2vri?2?0.134?0.268m

3

因此，采用两个等体积釜相串联，反应器的总体积减小近3倍。 3-5 在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应：

a+r→p（目的）rp?2ca[kmol/(m3

?h)] 2a→r rr?0.5ca

[kmol/m3?h] c3

a0?cb0

?2kmol/m 试计算反应2h时a的转化率和产物p的收率？解

a+r→p（目的）rp?2ca2a→rrr

?0.5ca

ra?2rr?rp?3ca ，

k?3h?1

x?11

af

k??1?3?2?1

?0.143srp

2

p?r?

a3

y2

p?spxa?3

?0.143?9.52%

3-6 图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器，?a?0，a初始浓度为

2mol/l，要求转化率为80%，ra

?3camol/?l?min?，求每釜的空时

?i和总反应空时。

解图解法公式

1

rai

?

?cai?1?

i

?cai，

i

式中左边为反应速率线，右边为釜间的操作线，两个釜有一个交点即为方

程的解，其垂直向下做横坐标的垂线垂点的浓度值就是该釜的出口浓度值。 ra

?3ca， xaf?80%，所以,出口浓度为c

af

=0.4mol/l

以浓度ca为横坐标，以反应速率为纵坐标，在坐标上绘ra?3ca通过

率向左上方作直线与ra

?3ca线相交于一点，用该点向下作垂线，求得第

注意：当相串联的反应釜体积不相等时，通过各釜的空时不等，直线的斜率就不等。

3-7 在等温操作下的间歇釜中进行某一级液相反应，13min后反应物转化

了70%，若把此反应移到平推流反应器和全混流反应器中进行，达到相同的转化率所需的时空和空速为多少? 解间歇釜

t?1ca0klnc ，

af

t=13min， caf

?ca0(1?xaf)?0.30ca0

?k?0.093min?1

，ra?kca

平推流

?

c?a0

?

xa

dxa

r

????caf

dcac??1lncaf

?13mina0kca

kc

a0 全混流

?caf

ca0?caf

??

ca0r?

?25.09min

af

kca01?xaf

3-8 在某一全混流反应器中进行均相液相反应a→r，ra?kc

2

a，转

化率xa

?0.50，其他值不变，

（1）若把反应器的体积增大到原来的6倍，转化率为多少?

（2）若反应在一个与其容积相同的平推流反应器中进行，转化率为多少？

解a→r ， r2

a?kca， xaf

?0.5 ??ca0?caf

ca0xaf

?2

r?

2

afkc2

a01?xafkca0

vr

??v0

（1） v

r?6vr ，此时 ??6?

ca0?caf

?6?2xaf12

?

?

af

kc?2

?a0kca0(1?xaf)kca0

解得 xaf?0.75?75%

（2） vrm?vrp ， ?m??

?xa

dxacaf11?11?m??0r??a?ca0kc2dca?????2a

k??cafca0??kca0

caf

?1

3

ca0， xaf?66.67%

3-9 在555k、0.3mpa的平推流管式反应器中进行a→p的气相反应。已知进料中含30%(摩尔分数)a，其余为惰性物料，a的加料流量为6.3mol/s，

动力学方程为：ra?0.27ca

mol/(m3

?s) 为了达到95%的转化率，试求反应器的容积大小？

解a→p（气相总摩尔数不变的反应），ra?0.27ca(mol/m3?s)平推流 ???

ca0

dca1ccaf

r?27lna0

a0.c

af

xaf

?0.95

???10.27lnca0

c?11.09s

a0(1?xaf)

ca?pa0pya0.3?106?00

rt?rt?.38.314?555

?19.5mol/m3v0

?6.319.5

?0.32m3

/s

vr??v3

?3.55m

3-10一级气相反应2a?r?2s在平推流管式反应器中进行，当空

速为1min

?1

时，纯a进料的转化率为90%，求a的转化率为95%时，该反

应器的单位体积进料量。解2a

?r?2s(气相等压变摩尔数反应)

其膨胀率为：

?2?1?2a?2

? 利用一级等压变容公式： k???(1??a)ln(1?xaf)??axaf

代入?

?1min,?a?0.5,xaf?90%

k?1??(1?0.5)ln(1?0.90)?0.5?0.90 解得 k

?3min?1

同理

k?3min?1,?a?0.5,xaf2?95%

?2?1.34min

又?vr

??vo??2v02 ?vo2?0.746vo

单位反应器体积进料量为v3

3-11 均相反应a→3r，服从二级反应动力学，在0.5mpa、623k和 v0?4m3/h纯a进料下，采用一内径为2.5cm、长2m的实验反应器能

获得

60%转化率。为设计工业规模的反应器，当处理量为

320m3

/h时，进料中含50%a和50%惰性物，同样在0.5mpa、623k下反应，要达到80%转

化率，试问：需内径2.5cm、长2m的管子多少根？

解此题为二级等压变容反应过程

k?c1??2a?xaf

a0?

?1?x??2axaf?2?a?1??a?ln(1?xaf)af

一根管子时： ??3?1a1

1

?2 ，xa1?60%

k???1??2

a1?xa11ca01

1?x??2a1x

a1

?2?a1?1??a1?ln?1?xa1?

a1

??1?2?2

?0.60?22.4

?0.6?2?2?3ln0.4

?4.905。。。。。。（1）在进料含50%a和50%惰性物