化学反应工程1-7章部分答案.doc 14页

'第一章  绪论                                                                                          习题1.1  解题思路:              　　　　　　                  （1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性                （2）设进入反应器的原料量为100  ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：                        组分                摩尔分率                  摩尔数                         根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数 、 和 。并根据反应的化学计量式求出                        水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。　            习题答案:                (1) 反应选择性                   (2) 反应器出口气体组成：                        第二章  反应动力学基础                                                                                         习题2.1  解题思路:             　　　　　　 利用反应时间与组分 的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切             线，即为水解速率，切线的斜率 α。再由求得水解速率。              习题答案:                 水解速率   习题2.3 解题思路                    利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。注意题中所给比表面的单位应换算成        。利用下列各式即可求得反应速率常数值。                                                       习题答案:                           (1)反应体积为基准               (2)反应相界面积为基准              (3)分压表示物系组成             (4)摩尔浓度表示物系组成    习题2.9 解题思路:                          是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即                          利用式（2.6）积分就可求出反应时间。                            习题答案:                          反应时间          习题2.11解题思路:　            （1）恒容过程，将反应式简化为：             用下式描述其反应速率方程：             设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率             亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。            （2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变             化。这里反应物是纯A，故有：             由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率             由化学计量关系求出乙醇的生成速率。                          习题答案:　             （1）亚硝酸乙酯的分解速率                 乙醇的生成速率             （2）乙醇的生成速率 第三章  釜式反应器                                                                                        习题3.1 解题思路:                         (1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。                                           (2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器               的体积大小无关                          习题答案:                   (1)反应时间t=169.6min.            (2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.　   习题3.5 解题思路:                      （1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为                                       对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。两式除可得：                                                      解此微分方程可得与 等的关系式并将数据代入此关系                式，化简可得：                     解此式可得的关系式。           （2）最大转化率可用下式求解：                   （3）产物C的最大收率由式（3.67）求得：                产物C的最大浓度：                 习题答案:                    （1）             （2）对应于C最大浓度时A的转化率             （3）产物C的最大浓度   　    习题3.8 解题思路:　            (1)  首先写出该反应的反应速率方程式，然后将有关数值代入式（3.8）求得反应时间，再用式                   （3.13）求取原料的流量 ，及苯酚的浓度，最后计算出苯酚的产量。           （2）全混流反应器，将有关数据代入式（3.47）求得苯酚的流量 Q0，即可计算出苯酚的产量。                                                       （3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量。这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速率慢的原因。           （4）由于该反应为1级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器，其原料处理量不                变。但由于cA0增加一倍，故苯酚的浓度也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一                倍。               习题答案:　           （1） 间歇操作时的苯酚产量             （2）全混流反应器的苯酚产量              （3）全混反应器的产量小于间歇反应器的产量，因为全混反应器中反应物浓度低，反应速率慢。           （4）不论哪一种反应器，若原料处理量不变，而初始浓度增加1倍，则苯酚产量也增加1倍。            　　　　　　    习题3.9 解题思路:　              (1)本题已在习题2.9中求出，不再重复。             (2)产物R的收率为之比值，而 值可用下式求得：                                              要求解上式必须知道产物R的瞬时选择性的表达式及转化率为95％时的cA值。             (3)若A的转化率仍为95％，且温度为常数，则D的瞬时选择性用下式表示：                                             D的收率可用式（3.55）来计算。             (4)对全混流反应器，若，则用下式求解：              (5)对全混流反应器，若 ，则R的收率用下式求解：                                          (6)依题意知半间歇反应器属于连续加料而间歇出料的                情况。为了求组分A的转化率及R的收率，需要求出A及R的浓度随时间的变化关系。首先必须列                出物系A和R的物料衡算式             (7)由已知条件可计算出 Q0和cA0 。将衡算式整理成一阶非线性微分方程组：　                                                                            代入初始条件，用龙格－库塔法进行数值求解。取步长，直至求至 即可。用                 时的可以进行A的转化率及R的收率的计算                                            同理可以计算出R的收率：                                                    习题答案:　             (1)反应时间 t=24.2min             (2)产物R的收率                (3)D的收率 ，能达到             (4)A的转化率 ，不能达到             (5)全混流时R的收率                (6) 第四章  管式反应器                                                                                               习题4.1 解题思路:                              根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程。原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即则               有：                           式中下标T和H分别代表甲苯和氢，可采用理想气体方程求出甲苯的初始浓度和流量，同时还要将               反应速率方程进行化简，最后利用式（4.5）求得反应器体积，并根据反应管的直径计算出反应               器的长度。                              习题答案:               反应器长度为： 1531.7m             习题4.7 解题思路:　               对于复合反应，选择的原则主要是使目的产物R的最终收率或选择性最大。据动力学特征，其瞬                 时选择性为：                  由此式可知要使S最大， 越小越好，而 越大越好；而题意又给出R与B极难分离，故又要求                不能太大，兼顾两者要求。             （1）原料配比，如果R与B极难分离为主要矛盾，则除去第二个反应所消耗的A量外，应按第一个反                  应的化学计量比配料，而且使B组分尽量转化。             （2）若采用PFR，满足选择性最大的原则：即A组分分散进料，而B组分集中进料。             （3）如用半间歇反应器，（2）的进料方法仍适用，B组分一次全部加入。               习题答案:　              （1）如果R与B极难分离为主要矛盾，除第二个反应所需的A量外，第一个反应应需要                       的A量比化学计量多些，以使B尽可能多的转化，达到R与B的分离。              （2）采用管式反应器，反应物A反应管的轴向分段进料，而反应物B则一次从入口加入。                                                （3）如用半间歇反应器， 反应物B应一次全部加入，而反应物A则慢慢加入，直到转化隆符要求                   为止。　      习题4.14解题思路:　              （1）设A为关键组分，对平行反应而言，目的产物为P的瞬时选择性                                                             （2）若a=1 ，求下列情况下的总选择性：                                      ① 活塞流反应器：因为，且化学计量系数                      相同，所以。求得瞬时选择性 。因此，总选择性计                                           算：                                              ② 连续釜式反应器则有：                    ③  PFR，且B侧线分段进料，器内B的浓度等于1kmol/m3  。则总选择性：                                                           习题答案:　              （1）产物P的瞬时选择性：               （2）活塞流反应器的总选择性： 32.6%                   连续釜式反应器总选择性： 50%                   活塞流反应器，且B侧线分段进料，器内B的浓度等于 ，总选择性：                                                    第五章停留时间分布与反应器的流动模型                                                                                        习题5.7 解题思路:　             (1)因是微观流体，故可用全混流反应器的物料衡算式（5.42），且又是闭式系统，，                所以：                            解此方程即得转化率。             (2)宏观流体，且是零级反应，故只能用离析流模型式(5.38)，先确定式中 的关系，在间                歇反应器中反应速率式表示为：。而全混流反应器的停留时间分布                为：                                   代入（5.38）式中就可得到出口转化率：                     由此可见，对于零级反应，其他条件均相同，仅混合态不同，则出口转化率是不同的。习题5.5                是进行1级反应，结果是不一样的。                       习题答案:                        （1）微观流体时的出口转化率：              （2）宏观流体时的出口转化率：                  对于零级反应，在其他条件相同的情况下，出口转化率与流体的混合态有关，宏观流体出口                 转化率低于微观流体。而对1级反应，混合态对出口转化率则无影响。　    习题5.8 解题思路:                     (1)用轴向扩散模型，首先确定模型参数Pe ，而Pe 值则由下式迭代求得                       再将Pe 值代入（5.69）式解得α值。将Pe 、α值代入式（5.68）即可求得出口转化率XA 。             (2)离析流模型，对于1级反应，间歇反应器的 的表示式为：                                                    代入下式解得反应器出口转化率 XA。                       由上述两种方法计算结果极为相近，这是由于在反应器中进行的是1级不可逆反应，混合态对其                无影响。                     习题答案:                            轴向扩散模型时出口转化率：              离析流模型时出口转化率：              两种方法计算结果极为相近，是由于进行1级不可逆反应，混合态对其无影响.　第六章多相系统中的化学反应与传递现象                                                             习题6.3 解题思路:　              首先由真密度和颗粒密度求得催化剂颗粒孔隙率，然后再根据式（6.2）及式（6.3）求得孔容及              平均孔半径。                                                                                                                                                  习题答案:                            孔容              孔隙率              平均孔半径      习题6.9 解题思路:　              首先要确定气体在催化剂颗粒中的扩散类型。然后利用式（6.42）求得CO的有效扩散系数。              判断结果属努森扩散，可用式（6.36）求得此值，最后利用式（6.42）求CO的有效扩散系数                            习题答案:  　              有效扩散系数 　    习题6.11解题思路:　                           (1)判别外扩散阻力的影响用式（6.79）：只要符合上等式，外扩散影响可不计。             (2)判别内扩散阻力的影响，先求出，然后计算出该催化剂的内扩散有效因子，判别内扩散阻力                的影响情况。                因有，可借助（6.60）式估算出，由此可知内扩散阻力影响严                重。             (3)催化剂外表面与气相主体间温度差可用下式计算                 　              习题答案:　             （1）因浓度差，从传质考虑，外扩散影响可不计。             （2）因，内扩散影响较严重。             （3）温度差为   第七章多相催化反应器的设计与分析                                                            习题7.1 解题思路:　             首先要知道床层的空隙率，而气体的实际流速是通过空隙率的气速，可用下面公式求得最终结果                                                  习题答案:                            真正的线速度：u=0.6m/s                    　    习题7.5 解题思路:　            （1）计算氨分解基气体组成：关键是将量变为量，即为无氨基。首先设100mol原料                  气，其中含有NH3 2.09mol，相当于多少mol的N2及多少mol的H2，因此，就可计算出无氨基气                 体组成            （2）绝热操作线方程：              ①首先考虑反应过程中气体总摩尔数的变化。                以代表有氨基气体的摩尔分率， 表示混合气体总摩尔流量，由可以看                出，每生成1摩尔NH3，混合气体总摩尔数减少1，所以生成氨的摩尔数为 ，（下标                A代表NH3，0代表进口处，均指有氨基的摩尔分率，混合气的总摩尔流量可表示为                                 （A)            （Ⅰ）以N2的转化率表示组成时的绝热操作方程：                   上式中（－ΔΗr）以反应每的N2计。并将式（A）代入，化简后得到进口处N2的转化率                  为零时的操作方程，代入有关数据，化简后得    （B）                  现将表示成N2的转化隆数。将式（A）代入绝热方程求得生成NH3的摩尔数及反应消耗                  NH3的摩尔数，得到以N2的转化率表示的的关系式，最后代入绝热方程式（B）中。            （Ⅱ）以NH3含量表示组成的绝热操作方程：                   方法同上（Ⅰ），得到以表示组成的绝热操作方程。               ② 忽略反应过程中气体总摩尔数的变化                 （A）以N2转化率表示组成时的绝热操作方程：                       将有关数据代入并化简后得表示的方程。                 （B）以NH3含量表示组成的绝热操作方程：                       将有关数据代入整理后得以表示的方程。             （3）计算出口氨含量为10％的床层出口温度。                  考虑反应总摩尔数变化时采用已导出的计算公式，将出口氨含量代入即得                                                  忽略反应总摩尔数的变化时：                       两温度差并不大，这是由于合成氨反应体系总转化率不高的缘故。若转化率高时两种方法计                  算出来的床层出口温度将会有较大的差别。　              习题答案:　             （1）进塔气体组成：                    组成        N2           H2        CH4                                              摩尔数      22.865       69.14        7.63         2.45     102.1                    摩尔分率％  22.40        67.72        7.474        2.40     100             （2）A．变容过程处理                  以N2的转化率表示的绝热操作方程                   以NH3含量表示的绝热操作方程                                             B．恒容过程处理                  以N2的转化率表示的绝热操作方程：                   以NH3含量表示的绝热操作方程：              （3）按变容过程处理时的床层出口温度:805.5K                   按恒容过程处理时的床层出口温度:808.1K                    两种方法处理的结果温差只有2.6K，这是由于氨合成反应体系总转化率不高的缘故，若转化                  率高时则两种方法计算出来的床层出口温度会有较大的区别。　    习题7.7  解题思路:　              由于原料气中乙炔浓度很低，故可将反应过程按恒容处理。乙炔的瞬时浓度用表示。代入反应              速率方程即可得到以转化率为变量的函数式，再将它代入式（4.5）得到反应器体积 。将已知数              据代入式（7.23）求得绝热温升，再将其代入下式直线方程               将所得关系代入式(4.5)，并令： ，               假设一系列的值，直到＝70％为止，就可计算出一系列值和温度T，作下列三项表格                                        ℃                                                    最后采用图解积分方法得其面积，计算出为反应体积。　              习题答案:　              图解积分面积，              催化剂用量为'