化学反应工程前三章复习题 一、填空（20’）
1、气相反应C6H6+3H2→C6H12的膨胀因子δC6H6等于 。
2、某复合反应目的产物的选择性为60%，反应物的转化率为90%，则目的产物的产物的收率为 。
3、对于自催化反应，最合适的反应器为 。
4、在连续流动反应器中，空时为 。 5、在等温间歇釜式反应器中进行的某平行反应{A→B，k1=1min-1；A→D，k2=2min-1}反应进行到某一时刻时，产物D的浓度为6mol/L，则B的浓度为 。 6、根据反应体系相态数的不同，化学反应可分为 反应和 反应。 7、在等温间歇釜式反应器中进行某一级不可逆反应S→P，反应器体积为10m3，反应时间为20min时，反应物转化率为70%，若反应器体积为30m3，反应物转化率达到70%所需反应时间为 。
8、多级全混釜串联模型当釜数N= 为全混流，当N= 为平推流。
二、判断对错（10’）
（ ）1、可逆吸热反应，rA随XA增加而增加。
（ ）2、全混流反应器中的组分浓度等于出口流中的组分浓度。
（ ）3、某反应A→B，反应速率rA=kCAn(n>0)，当出口转化率相同时，此反应在PFR中进行比在CSTR中进行所需的反应体积小。
（ ）4、正常动力学，出口转化率相同，同一单一反应在不同反应器中进行时，所需反应体积大小顺序为单个全混流>多釜串联>单个活塞流。 （ ）5、对于反应前后总摩尔数不变的气相反应可视为恒容反应。
（ ）6、管式反应器长度远大于直径，内部没有搅拌装置，属连续操作。 （ ）7、化学反应器的操作方式分为间歇操作、连续操作和半连续操作。 （ ）8、单一反应的转化率和收率在数值上相等。
（ ）9、全程转化率是以反应器入口物料为基准所计算的转化率。
（ ）10、化学反应工程中的“三传一反”三传是指质量传递、热量传递和能量传递。
三、计算题（70’）
1、 某气相1级反应A→2R+S在等温、等压的实验室反应器内进行，原料含A75%（摩尔分数），惰性气体25%，经8min后其体积增加了1倍，求此时的转化率及该反应在此温度下的速率常数。
2、以少量硫酸为催化剂，在不同的反应器中进行乙酸和丁醇反应生产乙酸丁酯
k??CH3COOC4H9+H2O CH3COOH+C4H9OH?反应在100℃等温条件下进行，反应动力学方程为
rA=kcA2 ，k=17.4L/(kmol·min)
下标A代表乙酸，其初始浓度cA0为0.00175 kmol/L，每天生产乙酸丁酯2400kg，若乙酸转化率为50%，试分别计算在下列反应器中进行反应时所需的反应器体积：
（1）间歇反应器，设每批操作的辅助时间为0.5h。
（2）平推流反应器。 （3）全混流反应器。
（4）两个串联的等体积全混流反应器。 （5）三个串联的等体积全混流反应器。
3、恒温下进行液相自催化反应：A+B→R，反应速率方程为rA=0.15cA cR（mol/L·min）。已知cA0=1.25mol/L，cR0=0.01mol/L，进料速率为200L/min，最终转化率0.9。试计算分别在下列反应器中完成该反应所需的反应器体积。
（1）全混流反应器。 （2）平推流反应器。
（3）全混流串联平推流反应器。
答案：
1、解：该反应是变摩尔反应，其物质的量的变化为δA=（1+2-1）/ 2=2
设未反应时体积为V0，则反应后体积为V=V0(1+δAyA0XA) 当反应8min后V=2V0，故有V/V0=(1+δAyA0XA)=2 代入数据解得XA=66.6%
对于1级反应，反应速率方程可表示为
rA??nA0d?1?XA?kc?1?XA?dnA ???kcA?A0VdtV0?1?yA0?AXA?dt1?yA0?AXAdXA1?k?1?XA?，积分后得kt?ln dt1?XA化简后得到
代入数据解得k=0.137min-1
2、解 该反应为液相反应，物料的密度变化很小，可近似认为是恒容过程。由每天生产乙酸丁酯（相对分子质量116）2400kg、转化率0.5，折算得到单位时间原料处理量
240011Q0???=985（L/h）
24?1160.50.00175（1）间歇反应器反应时间
t????cAdc1?11?1?XA?dcAA??????? ???????cA0rcA0kc2k?cAcA0?kcA0?1?XA?AAcA0.5=32.8（min）=0.547（h）
17.4?0.00175??1?0.5?间歇反应器体积Vr=Q0（t+t0）=985×（0.547+0.5）=1031（L）
（2）平推流反应器体积
V?Q0cA0??XA0XAdXAdXAQ0XA ?Q0cA0??220rAkc1?X??kcA01?XAA0A985/600.5?=539（L）
17.4?0.001751?0.5（3）全混流反应器
V??985/60??0.5Q0cA0XA?=1078（L） 22217.4?0.00175??1?0.5?kcA0?1?XA?（4）两个串联的等体积全混流反应器。
由多釜串联全混釜反应器中任一反应器的体积设计方程式?i??cAi?1?cAi?/rAi可分别写出两个串联全混流反应器的体积计算式
2V1?Q0?cA0?cA1?/kcA1 2V2?Q0?cA1?cA2?/kcA2
由V1=V2，XA2=0.5，解出 cA2= cA0（1-XA）= 0.00175×0.5=0.000875（kmol/L） cA1= 0.001184（kmol/L） 所以V1=V2=381（L）
两个串联的全混流反应器总体积V=762（L） （5）三个串联的等体积全混流反应器。
2由设计方程得?i??cAi?1?cAi?/kcAi，以?i为参数，可解出
cAi??1?1?4k?icAi?1
2k?i三个等体积全混流反应器的?i相等，由此得
cA1??1?1?4k?icA0
2k?icA2??1?1?2?1?1?4k?icA02k?i??
?cA3?1?1?2??1?1?2?1?1?4k?icA0??????
2k?i?由最终出口浓度cA3= cA0（1-XA）= 0.00175×（1-0.5）=0.00875（kmol/L），以及cA0=0.00175 kmol/L，k=17.4L/(kmol·min)，解出?i=14min，得 Vi=Q0?i=（985/60）×14=230（L）
三个串联的全混流反应器总体积V=3 Vi =690（L）
3、解 恒温过程，速率常数不变，为0.15 L/（mol·min）；液相反应，可认为过程恒容。
（1）全混流反应器设计方程 V=（FA0-FA）/rA
其中FA0= Q0cA0=250（mol/min） FA= FA0（1-XA）= 25（mol/min） rA=kcA cR= kcA0（1-XA）（cR0+ cA0 XA）=2.13×10-2mol/（L·min） V=10563（L）
（2）平推流反应器设计方程
V?Q0cA0?XA0dXA
0.15cA0?1?XA??cR0?cA0XA??cR0????XA??cQ0? ?ln?A00.15?cR0?cA0??1?X?cR0AcA0=7444（L）
（3）全混流串联平推流反应器，最好用全混流反应器将反应进行到最大速率点XAM，这时反应器总体积最小。 rA=0.15cA0（1-XA）（cR0+ cA0 XA） 令drA /dXA =0得XAM=0.496
全混流反应器体积V=（FA0-FA）/rAM 其中
FA0= Q0cA0=250（mol/min）
FAM= FA0（1-XAM）= 126（mol/min） rAM=kcAcR= kcA0（1-XAM）（cR0+ cA0 XAM）=5.95×10-2mol/（L·min） V=2083（L）
平推流反应器体积
V?Q0cA0?XAXAMdXA
0.15cA0?1?XA??cR0?cA0XA???cR0??cR0??????XA??XAM??????ccQ0??ln?A0?? ?ln?A0??1?XA??1?XAM??0.15?cR0?cA0????????=2334（L）
全混流串联平推流反应器的总体积V=2083+2334=4117（L）