化学反应工程(郭锴)第二版习题解答

第一章习题1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?答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。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?答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。3若将反应速率写成tcrddAA，有什么条件?答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。4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?答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。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↔CA+C↔D(2)A+2B↔CB+C↔DC+D→E(3)2A+2B↔CA+C↔D解.(1)D4CA3DD4CA3C22BA1CC22BA1BD4CA3C22BA1A22ckcckrckcckckcckrckcckrckcckckcckr(2)E6DC5D4CB3DE6DC5D4CB3C22BA1CD4CB3C22BA1BC22BA1A22ckcckckcckrckcckckcckckcckrckcckckcckrckcckr《化学反应工程》第二版习题解答1(3)D4CA3DD4CA3C22B2A1CC22B2A1BD4CA3C22B2A1A2222ckcckrckcckckcckrckcckrckcckckcckr6气相基元反应A+2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc=2.65×104m6kmol-2s-1。现以气相分压来表示速率方程，即(−rA)=kPpApB2，求kP=?（假定气体为理想气体）3-1-3631112643cP2BApA2BAc2BAcA1264ckPasmkmol10655.1K303KkmolkJ314.8skmolm1065.2)(skmolm1065.2K30330273RTkkppkrRTpRTpkcckrRTpckT7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。2AAmin18A0min8A0AAA0dd219.019.0181)(218.018.081)(11kctckckcxxckt为假设正确，动力学方程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在水中的浓度远大于A，在反应过程中可视为不变，而反应物A溶解于水的速率极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和溶解度。试求此反应器中液相体积为5m3时C的生成量。已知k=1m3kmol-1hr-1，cB0=3kmol·m-3，cA饱和=0.02kmol·m-3，水溶液流量为10m3hr-1。解《化学反应工程》第二版习题解答20.15kmol5m0.5hrhrm0.06kmol0.5hrhr10m5mhrmkmol06.0302.0131313313ABABAACNCrccckcr的生成量器中的停留时间反应时间即液相在反应均为常数与由已知条件，9反应O2HN2NO2H222，在恒容下用等摩尔H2，NO进行实验，测得以下数据总压/MPa0.02720.03260.03810.04350.0543半衰期/s26518613510467求此反应的级数。解205.4644.4905.4226.5580.5ln304.1526.1658.1814.1995.1ln671041351862652715.02175.01905.01630.01360.021lnln115.01ln15.015.0115.0111dddddd21A021A0A0210Ap12110Ap121p1A0110AA0A21p1A10Ap1A0ApAApAAA0A0A21tptppptpnnktpnktkppnpptttkppntknptpptkpppktpnnnnnnnnppnpptnnn总作图，得直线对A021lnlnpt-2.1-2.0-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.24.04.24.44.64.85.05.25.45.6lnt1/2lnpA0《化学反应工程》第二版习题解答3Y=A+B*XParameterValueErrorA1.602170.01399B-1.99460.00834三级反应斜率319946.19946.1nn10考虑反应3PA，其动力学方程为VnktnVrAAAdd1试推导在恒容下以总压表示的动力学方程。解总总总总总总总总pptpVRTVppktpRTVVpRTVnRTVppnppppppppnnnttppntpA0A0AA0AA0AAA0AA0AAA0AA0A0A03dd23dd21d2d233212333000PA11.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。时间/s116.8319.8490.2913.81188∞cA/kmol·m-399.090.683.070.665.342.4cB/kmol·m-356.648.240.628.222.90解由cA-cB=42.4可知反应应按下列方式A+B→产物进行设为二级反应BAAddckctc积分得：BA0B0AB0A0ln1cccccckt《化学反应工程》第二版习题解答4以BAB0A0ln1cccc对t作图若为直线，则假设正确。由cA0-cB0=42.4整理得数据如下：t116.8319.8490.2913.81188BAB0A0ln1ccccy0.01320.01490.01690.02160.0247线性回归：Y=A+B*XParameterValueErrorA0.011661.84643E-4B1.08978E-52.55927E-701166.0100898.15tyBA5A1135100898.1ddskmolm100898.1cctck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)0200400600800100012000.0120.0140.0160.0180.0200.0220.0240.026yt《化学反应工程》第二版习题解答5起始时丁烷为116kg，当转化率为50%时1AsMPa24.0ddtp，求此时tytntpddddddASR，，。解1ARsMPa48.024.02dd2ddtptp1SSSttSRAAA0SSSSASskmol032.03004.24dd3004dddd3004kmol4kmol1kmol2kmol15.0kmol258116ddddddtptpRTVtnRTpRTnVnnnnxnpRTVnRTVpntptp总，，，时1AAs8.024.03.01dd1ddtppty总13某二级液相不可逆反应在初始浓度为5kmol·m-3时，反应到某一浓度需要285s，初始浓度为1kmol·m-3时，反应到同一浓度需要283s，那么，从初始浓度为5kmol·m-3反应到1kmol·m-3需要多长时间？解t=285-283=2s反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。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：SRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH2943SOH94342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《化学反应工程》第二版习题解答6间为24.6min，辅助生产时间为30min，每天生产2400kg醋酸丁酯（忽略分离损失），计算反应器体积。混合物密度为750kg·m-3，反应器装填系数为0.75。解3313111111i1.2m0.750.8949总体积反应0.8949m0.910.9834有效体积反应0.91hr6054.6折合54.6min3024.6总生产时间hr0.9834m750737.5换算成体积流量hr737.5kg634.1103.4总投料量hr634.1kg744.97724.1B4.97:1B:Ahr103.4kg601.724折算成质hr1.724kmol0.50.862的投料量A，则50%转化率hr0.862kmol116100hr100kg2400/24R1167460MSRBA器器投料量则量流量产量15反应(CH3CO)2O+H2O→2CH3COOH在间歇反应器中15℃下进行。已知一次加入反应物料50kg，其中(CH3CO)2O的浓度为216mol·m-3，物料密度为1050kg·m-3。反应为拟一级反应，速率常数为k=5.708×107exp(−E/RT)min-1，E=49.82kJ·mol-1。求xA=0.8时，在等温操作下的反应时间。解min6.308.011ln05252.0111ln1min05252.0)288314.849820exp(10708.5A17xktk16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《化学反应工程》第二版习题解答7A组分分压与时间关系见下表:t/sec020406080100120140160pA/MPa0.10.0960.0800.0560.0320.0180.0080.0040.002试求在100℃，0.1MPa下，进口物流中包含20%惰性物，A组份流量为100mol·hr-1，达到95%转化率所需的平推流反应器的体积。解36AA00.1077m1000.21100.1373.158.3143600100100s40140所需要的反应0.004MPa95%0.08MPa，由数据表可知，vτVτpp时间为转化率时间相同。间与间歇反应器的反应平推流反应器的停留时17间歇操作的液相反应A→R，反应速率测定结果列于下表。欲使反应物浓度由cA0=1.3kmol·m-3降到0.3kmol·m-3需多少时间?cA/kmol·m-30.10.20.30.40.50.60.70.81.01.32.0(−rA)/kmol·m-3min-10.10.30.50.60.50.250.100.060.050.0450.042解AA0A)(d)(dmkmol3.0mkmol3.1AA0AAA0-3Af-3A0ccxrrcrxctcc图解积分-3Amkmolc0.10.20.30.40.50.60.70.81.