《化学反应工程》第三版-(陈甘堂-著)课后习题答案

第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及2/1cmkgf下反应，已知反应速率常数41065.2×=Ck)/(22smolL⋅，若以BApAppkr2=−表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程BAAAccdtdcr241065.2×=−=−（1）由气体状态方程有RTpcAA=，RTpcBB=代入式（1）BABAAppRTRTpRTpr23424)(1065.21065.2−×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=−当压力单位为2/cmkgf时，R=0.08477，T=303K。所以564.1)30308477.0(1065.234=×××=−pk])/(/[32−⋅⋅cmkgsLmolf2－5考虑反应A3P，其动力学方程为VnkVdtdnrAAA=−=−)(。试推导：在恒容下以总压p表示的动力学方程。解：2113=−=Aδ因，RTpVnAA=，微分得dtdpRTVdtdnAA1=代入原动力学方程整理得AAkpdtdp=−（1）设初始原料为纯A，10=Ay，总量为00Ann=。反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义AAAnnnn−−=00δ则)(100nnnnAAA−−=δ恒容下上式可转换为)(100PPPpAA−−=δ（2）所以dtdPdtdpAAδ1−=（3）将式（2）和式（3）代入式（1）整理得)3(])1[(00PPkPPkdtdPA−=−+=δ2－6在700℃及2/3cmkgf恒压下发生下列反应：C4H102C2H4+H2，反应开始时，系统中含C4H10116kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4)/(2scmkgf⋅的速率发生变化，试求下列各项的变化速率。（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。解：58104=HCM，20005810001160,0104=×==HCnnmol2/3cmkgPf=，21112104=−+=HCδ（1）4.22142104==−HCHCrr8.44.22)(210442=×=−=HCHCrr)/(2scmkgf⋅（2）104104HCHCPyP=1-s8.034.21104104==⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−dtdpPdtdyHCHC（3）104104104104104104)1(0,0HCHCHCHCHCHCyxynnynδ+==⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=−=dtdyxyndtdndtdnHCHCHCHCHCH1041041041041042)1(0,0δmol/s32008.0)5.0121(20002=×××+×=dtdnH2－9反应APS，pAckrckr2211)(,)(=−=−，已知00AAcct==时，，2.0/,02100===kkccSp。反应在等温、间歇反应器中进行，过程为恒容过程，求反应产物P的瞬时收率与总收率。解：tkAAecc10−=)(122110tktkAPeekkkcc−−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=tktktkAPAPPeeekkkkkcckkrr112)(112111212−−−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=−=−=ϕ)1(1)(21221−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=−tkkekkktkkekkkkkk)(21221121−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−=25.025.114−=−tke1)1(25.01(111124)2110−−=−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−=Φ−−−−tktktktktkAAPPeeeeekkkccc或由AccpAAPdcccAA∫−−=Φ001ϕ计算。第三章均相反应过程3-1解：（1）=−=−=7.011ln13111ln1Axtk0.0926min-1（2）平推流反应器1-min0769.01311min137.011ln0926.0111ln1====−=−=ττVASxkk1k2（3）全混流反应器1-min0397.02.2511min2.25)7.01(0926.07.0)1(====−×=−=ττVAASxkx3－2在555K及3kg/cm2下，在平推流反应器中进行反应：AP，已知进料中含30%A（摩尔分率），其余为惰性物料，加料流量为6.3mol/s，动力学方程为：AAcr27.0)(=−（mol/m3·s），为达到95%转化率。试求：（1）所需空速是多少？（2）反应器容积大小。解：spRTFv/m0.09942L/s42.9910013.1/1081.9355508206.03.635400==×××××==s1.1195.011ln27.0111ln1=−=−=Axkτ-1s09.01.11/1/1===τVS30m104.11.1109942.0=×==τvV3－4均相气相反应A3P，服从二级反应动力学。在5kg/cm2，350℃和v0=4m3/h下，采用一个2.5cm内径，2m长的实验反应器，能获得60%转化率。为了设计工业规模的反应器，当处理量为320m3/h，进料中含50%A，50%惰性物料时，在25kg/cm2和350℃下反应，为获得80%转化率，试求：（1）需用2.5cm内径，2m长的管子多少根？（2）这些管子应以并联或串联？假设流动状况为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。解：2113=−=Aδ,10=Ay340mol/m4.97)273350(314.81081.95=+×××==RTpcAAAAAAAAAAxxcxyxcc21)1(1)1(000+−=+−=δ2202211⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−==−AAAAAxxkckcr由设计方程AAAAAAAxAAAdxxkcdxxxkcrdxcvVA26.00026.00000021311211∫∫∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=−==τ06.000905.44)1ln(12191AAAAAkcxxxkc=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+−=所以00905.4AkcvV=（1）工业反应条件下：5.00=′Ay，0005.2AaAcRTypc=′′=′AAAAAAAAAxxcxyxcc+−′=′+−′=′1)1(1)1(000δAAAAAAAxAAAdxxckdxxxckrdxcvVA28.00028.0000001121111∫∫∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−′=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+′=−′=′′=′τ08.00036.10)1ln(4141AAAAAckxxxck′=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+−′=所以0036.10AckvV′′=′（2）比较式（1）和式（2）得：根686.6743205.21905.436.10905.436.100000≈=××=′⋅′⋅==′vvccnVVAA应并联组合。3－5丙烷热解为乙烯反应可表示为：C3H8C2H4+CH4，（忽略副反应）在772℃等温反应时，动力学方程为：AAkpdtdp=−，其中，k=0.4h-1。若系统保证恒压，p=1kgf/cm2，v0=800L/h（772℃，1kgf/cm2）。求当5.0=Ax时，所需平推流反应器的体积。解：11111=−+=Aδ,10=Ay因RTpcAA=，动力学方程可转换为：AAkcdtdc=−AAAAAAAAAxxcxyxcc+−=+−=1)1(1)1(000δ设计方程AAAAAxAAAdxxkdxxxkrdxcvVA∫∫∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=−==5.005.000001121111τ()h216.25.02ln24.0111ln215.00=−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=AAxxkL1773216.28000=×==τvV3－8一级反应AP，在一体积为Vp的平推流反应器中进行，已知进料温度为150℃，活化能为84kJ/mol。今改用全混流反应器，起所需体积为Vm，则Vm/Vp应有何关系？若转化率分别为0.6和0.9，如要使Vm=Vp，反应温度应如何变化？如反应级数分别为n=2，1/2，-1时，全混流反应器的体积将怎样变化？解：一级不可逆反应设计方程PFRAPpxkvV−=11ln0（A）CSTRAAmmxxkvV−⋅=10（B）（1）等温反应mPkk=，则，)1ln()1(AAApmxxxVV−−−=（2）若Tp=150℃，要求mPVV=，则有，22)1(11211AAAAScccrr+=++=−=ϕ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−−−=mPAAApmTTRExxxkk11exp)1ln()1(（C）当6.0=Ax时，由式（C）求得159=mT℃当9.0=Ax时，由式（C）求得6.175=mT℃（3）n级不可逆反应设计方程PFR⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⋅=−−111111100nAnAPxnkcvV（D）CSTRnAAnAmxxkcvV)1(100−⋅=−（E）当n=2时111−=ApmxVV当n=1/2时1)1(2)1(1)]1()1[(22/12/12/1−−+=−−−=AAAAApmxxxxxVV当n=－1时12)1(2−−=AApmxxVV3－10某一分解反应PApcr2=AS111=srS222Ascr=已知0Ac=1mol/L，且S1为目的产物，求：（1）全混釜；（2）平推流；（3）你所设想的最合适反应器或流程所能获得的S1最高浓度是多少？解：（1）CSTR20)1(111AAASScccc+==−=Φϕ20)1(1AAAScccc+−=∵当0=Ac时，0.101==ASccmol/L。（2）PFRAccccAASdccdccAAAA∫∫+=−=0012)1(1ϕ2111−+=Ac当0=Ac时，5.01=Scmol/L。（3）采用全混流反应器与分离装置组合，0.11=Scmol/L。第四章非理想流动4－2脉冲示踪测得如下数据，求E、F。t/min012345678910c(t)/(g/L)00356643210解：（1）求C0。ititcC∆=∑∞=00=30t/min012345678910c(t)/(g/L)00356643210E(t)000.10.1670.20.20.1330.10.0670.0330F(t)000.050.1830.3670.5670.7330.850.9330.9831tE(t)000.20.50.810.80.70.5330.30t2E(t)000.41.53.254.84.94.2672.70152.078.446.3t46.378.43.26min78.4222t222t====−==σσσθt4-9有一反应器被用于某一级反应，对该反应器进行示踪——应答试验，在进口出加入δ函数，示踪物在出口处响应为：t/s1020304050607080c(t)03554210已知该反应在全混釜中进行时，在同样τ下，82.0=Afx，求本反应器所能获得的Afx？解：200]0)145(2)253(40[3100=+++×+++×+=Ct/s1020304050607080c(t)03554210E(t)00.0150.0250.0250.020.010.0050tE(t)00.30.75110.60.350t2E(t)0622.540503624.50xA(t)0．68620．90150.96910.99030.99690.99900.99970.9999xAE(t)00.01350.02420.02480.01990.010.0050s3.39]0)35.0175.0(2)6.013.0(40[310=+++×+++×+=t5.1953.39]0)5.24505.22(2)36406(40[31022=−+++×+++×+=tσ127.03.395.19522==θσ由CSTR的设计方程)1(AfAfxkxt−==τ所以1-s1159.0)82.01(3.3982.0)1(=−×=−=AfAfxxkτ故tAetx1159.01)(−−=用不同反应时间代入上式计算转化率,并填入表格。971.0]0)005.00199.00242.0(2)01.00248.00135.0(40[310=+++×+++×+=Afx4－6一个封闭容器，已知流动时测得2.0/=