反应工程复习资料

2CH3COOH(C)乙酸酐发生水解，反应温度25℃，k=0.1556 min，1. (CH3CO)2 (A) + H2O(B)3

采用三个等体积的串联全混流釜进行反应，每个釜体积为1800 cm，求使乙酸酐的总转化率为60%时，进料速度v0。

-1

解：初始浓度为CA0，离开第一釜为CA1，依次为CA2、CA3。

∵

1CA0CA1(rA)1 (rA)1kCA1 ∴

1CA0CA1C11A1xA11kCA1CA01k11k1

CA211CA21xA2122C(1k)(1k)C1kA02 对于等体积釜串联12 对第二釜A1

xA31 同理 ∴τ=2.3（min）

2.反应A → B为n级不可逆反应。已知在300K时要使A的转化率达到20%需12.6分钟，而在340K时达到同样的转化率仅需3.20分钟，求该反应的活化能E。

CAdCtdt111dCAAnktrAkCAnCA0CA0tn1n1n1CCAA0dt解： 即

111n1(1.251)Mn1C0.8CA0 (n1)CAtt 0 达20%时，Ak340M/3.2E1111lnln()kMk300M340kM/12.68.3143003403003.2 12.6 式中M为常数∴ E=29.06（kJ/mol）

k1(1k)3v0V1800782.6(cm3/min)2.3

3. 用两串联全混流反应器进行一个二级不可逆等温反应，已知在操作温度下

k0.92(m3kmol1h1),CA02.30kmolm3,v010m3h,要求出口x=0.9，计算该操作最优容积比(V1V2)A

和总容积V。

11()()rA,1rA112111[][]2223xxxrrxxkCA0(1xA1) 代入A,1A,1A,0A,2A,1 A1A1kCA0(1xA1)解：

322111xA13xA13.01xA10.990[]222kCA0(1xA,1)3xA,1kCA0(1xA,1)2kCA0(1xA,1)2 xA10.741

1xA1xA00.7415.22h2kCA0(1xA1)1.922.3(10.741)2

23VVVvV10(7.515.22)127.3m120总容积

xA2xA15.220.90.7417.51hV1V210.695227.51kCA0(1xA2)0.922.3(10.9)2

4.应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，假定各釜的容

-13

积和操作温度都相同，已知此时的速率常数k=0.92h，原料液的进料速度v0=10m/h，要求最终转化率xA0.9，试求V1、V2和总容积V。

(1)rA1xA1xA1112kCA0(1xA1)kCA0(1xA1)

解：对于一级不可逆反应应有

1()1rA,i1111112xA,ixA,ixA,i1rA,i1rA,ixxkC(1x)kC(1x)kC(1x)A1A0A0A2A0A1 A0A1代入 得 整理得 x2xA1xA20 ∵xA20.9， ∴xA10.6838 ∴

2A11xA10.68382.35(h)k(1xA1)0.92(10.6838)

V1v0123.5(m)

32xA2xA10.90.68382.35(h)V2k(1xA2)0.92(10.9)v0223.5(m3) 总容积VV1V247(m3)

3

5.在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A → 2R，rAkCAkmol/m·h，k=9.52×9-1310exp[-7448.4/T] h，CA02.3 kmol/m，MR60，CR00，若转化率xA0.7，装置的生产能

力为50000 kg产物R/天。求50℃等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间t0=0.75 h）

解：反应终了时R的浓度为

CR2CA0xA3.22(kmol/m3)ttCA0xA0dxA1xAdxA117448.4lnk9.52109exp00.92kCAk1xAk1xA 27350

VCRMR5000011500002.063ln1.31(h)V22.2(m)24 0.9210.7243.2260 tt0

32

6. 现有一有效容积为0.75m的搅拌釜反应器，其内设置有换热面积为5.0m的冷却盘管。欲利用改反应器来进行A→R

5525.91k1.0788109exp(h)T的一级不可逆的液相反应，其速率常数，反应热

(Hr)20921J/molA，原料液中A的浓度CA00.2mol/l，但不含反应产物R。此原料液的密度ρ

3=1050g/l；定压比热CP2.929（J/g·℃）。要求原料液的进料流率为v03m/h，反应器出口

的反应液中CA0.04mol/l。总传热系数U=209.2（KJ/m·h·℃）。所用的冷却介质的温度为25℃。试求满足上述反应要求所需的反应温度以及料液的起始温度T0。 解：1)计算反应温度T

2

CA1CA01k(

kCA01)CA(0.221)0.04(0.75)183 根据

k1.0788109exp[5525.9]T

T308.6K

2）

T0TV(rA)(Hr)UA(TTm)]v0cP

T0308.6

180.040.7520921209.25(308.6298.16)297.4K310502.929

46-2-1

1气相基元反应A+2B→2P在30℃和常压下的反应速率常数kc=2.65×10mkmols。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）

解 T27330303K2有一反应在间歇反应器中进行，经过8min后，kc2.65104m6kmol2s1反应物转化掉80％，经过18min后，转化掉pc90％，求表达此反应的动力学方程式。 RT2解

pp2ABrAkccAcBkc1xRTRTktA2cA01xArAkppApB10.81(kcA0)8minkc2.65104m6kmol2s1kP810.82(RT)38.314kJkmol1K1303K310.91

(kc)A018min1.655106kmolm3s-1kPa-31810.92假设正确，动力学方程为dc2AkcAdt

3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

33-1-1-3-液相体积为5m时C的生成量。已知k=1mkmolhr，cB0=3kmol·m，cA饱和=0.02 kmol·m，3-1

水溶液流量为10mhr。 解

rAkcAcB由已知条件，cA与cB均为常数

rA10.0230.06kmolm3hr15m3反应时间即液相在反应器中的停留时间0.5hr10m3hr1C的生成量NC0.06kmolm3hr10.5hr5m30.15kmol 1

考虑反应A3P，其动力学方程为rA示的动力学方程。 解

1dnAnkA试推导在恒容下以总压表VdtV

AnA0pA0nApA12P003nA0nA3pA0pAp总nAp总pA03pA02pAt0ttpA3pA03pA0p总V2RT

dnAVdp总2RTVdp总12RTkVdtdp总3pA0p总dt3pA0p总V2RTV 2

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

求此反应的级数。

0.0272 265

0.0326 186

0.0381 135

0.0435 104

0.0543 67

解

dpAnkppAdtpAt12pA005.6pndpAkpdt5.45.25.0ln t1/2pndpAdtpA4.84.64.4pkptn1pA0n1A1n1np1kptA0pAn1斜率1.99461.99461nn3三级反应tt121npA0.5pA010.5np1A0t12kpn1pA0t12lnpA0lnt120.13601n1n1np1pA0kpt12A00.5n110.51nln1nlnpA0lnt12kpn14.24.0-2.1-2.0-1.9-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2pA01p总2lnpA00.16300.19050.21750.2715671.3044.205Parameter

A B

Value 1.60217 -1.9946

Error 0.01399 0.00834

2651861.9951.8145.5805.2261351041.6581.5264.9054.644lnt12对lnpA0作图，得直线Y = A + B * X

3 在全混流反应器中进行如下等温液相反应：

2A→B＋C A＋B→2D

-3

rc=k1cA2 rD=2k2cAcB

-3

A的初始浓度为2.5kmol·m，A和C的出口浓度分别为0.45和0.75kmol·m。假设进口物流中不含B、C、D，反应时间为1250sec，求：

1. 出口物流中B和D的浓度；2k1和k2 。

反应共消耗A2.50.452.05kmolm3每消耗2个A生成1个C，生成C所消耗的A为20.751.5kmolm3生成D所消耗的A为2.051.50.55kmolm3每消耗1个A将生成2个D，因此D的出口浓度为0.5521.1kmolm3每生成1个C伴生1个B，但每生成1个D又消耗0.5个B，所以，B的浓度为0.750.51.10.2kmolm3CCrCCDrD0.750k10.4521.102k20.450.21250k12.963103m3kmol1s11250k24.889103m3kmol1s1 4

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/s

116.8 99.0 56.6

319.8 90.6 48.2

490.2 83.0 40.6

913.8 70.6 28.2

1188 65.3 22.9

∞ 42.4 0

cA/kmol·m-3 cB/kmol·m-3

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

1cc1cdcAlnAB0 以lnA对t作图若为直线，则kcAcB积分得：ktcA0cB0cA0cBcA0cB0cBdtt 116.8 319.8 490.2 913.8 1188 0.013

2

0.0149

0.0169

0.0216

0.0247

假设正确。由cA0-cB0=42.4整理得数据如下： 1cylnAcA0cB0cB

线性回归： Y = A + B * X Parameter

A

Value 0.01166

0.0260.024Error 1.84643E-4

y0.0220.0200.0180.0160.0140.012020040060080010001200t

B 1.08978E-5 2.55927E-7

y1.0898105t0.01166

k1.0898105m3kmol1s1 dcA51.089810cAcBdt

5 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dpAdpdndy求此时R，S， 0.24MPas1，A。

dtdtdtdt解

dpRdp2A20.240.48MPas1 dtdtdyA1dpA10.240.8s1 dtp总dt0.3 6

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：

2SO4CH3COOHC4H9OHHCH3COOC4H9H2O

A R B 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醋酸丁酯（忽略分离损失），

-3

计算反应器体积。混合物密度为750kg·m，反应器装填系数为0.75。

解

dpSdppVVAnSSdnSdpSdtdtRTRT116nA02kmolxA0.5时58nA1kmol，nR2kmol，nS1kmol，nt4kmolVntRT4RTp总300dnSVdpS4dpS42.40.032kmols1dtRTdt300dt300

ABRS Mi 60 74 116R产量2400/24100kghr1转化率50%，则A的投料量1000.862kmolhr11160.8621.724kmolhr10.5折算成质量流量1.72460103.4kghr1A:B1:4.97则B投料量1.7244.9774634.1kghr1总投料量103.4634.1737.5kghr1737.5换算成体积流量0.9834m3hr175054.6总生产时间24.63054.6min折合0.91hr60反应器有效体积0.98340.910.8949m3反应器总体积0.89491.2m30.75

3-33-13

7 反应A+B→R+S，已知VR=0.001m，物料进料速率V0=0.5×10mmin，cA0=cB0=5mol·m，

3-1-1

动力学方程式为−rA=kcAcB，其中k=100mkmolmin。求：(1)反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多少？(2)欲用全混流反应器得到相同的出口转化率，反应器体积应

3

多大?(3)若全混流反应器体积VR=0.001m，可达到的转化率为多少?

3-1-1-3-33-1

已知k=1mkmolhr，cB0=3kmol·m，cA饱和=0.02kmol·m，水溶液流量为10mhr。 解 平推流

VR1V0kcA0xAf1xAf0dxA11(1)2(1xA)kcA01xAf1110.5VRkcA00.0010.1511V00.0005VRcA0cAcA0cA0.0050.00254全混流V0 rAkcAcB1000.00252VRV00.510342103m3VRccAccAcA0xAA0A022V0rAkcAcBkcA1xA0(1)

0.5103xAVR0.001m21000.0051xA3

1xA1xA2xA0.3820